Теплообменные аппараты

К недостаткам аппаратов подобного типа относится их громоздкость и повышенный расход металла. Кроме того, в ящике свободное сечение для прохода воды велико, вследствие чего скорость движения воды мала и относительно малы коэффициенты теплоотдачи от стенок змеевика к воде. Такие аппараты используются на ряде действующих нефтеперерабатывающих заводов и при строительстве новых установок, как правило, не применяют.

 

1.6 Оросительные аппараты

 

Аппараты этого типа применяются в качестве холодильников и конденсаторов. Они представляют собой змеевик, состоящий из соединенных двойниками труб, которые расположены горизонтальными и вертикальными рядами.

/ — охлаждаемый нефтепродукт; // — охлажденный нефтепродукт; /// —  холодная вода; IV — нагретая вода

Рисунок 22 -  Схема оросительного коллекторного конденсатора-холодильника

 

Чаще всего это коллекторные змеевики. В верхней части аппарата имеется распределительное приспособление для орошения наружной поверхности змеевиков водой. Подобное распределительное устройство выполняется в виде либо желобов, либо специальных распылителей. Вследствие высокого значения скрытой теплоты испарения воды даже незначительное ее испарение сопровождается отводом большого количества тепла.

Опыт работы оросительных конденсаторов и холодильников показывает, что около 50 % тепла отводится испаряющейся водой. Таким образом, в оросительном холодильнике и конденсаторе расход воды примерно в два раза меньше, чем в обычном водяном холодильнике. К недостаткам таких аппаратов относится их громоздкость, интенсивная коррозия наружной поверхности труб вследствие воздействия кислорода воздуха и отложение накипи на поверхности труб, особенно усиливающееся при высокой температуре охлаждаемого потока, трудность эксплуатации в зимних условиях.

 

1.7 Пластинчатые теплообменники

 

Пластинчатые теплообменники представляют собой аппараты, теплообменная поверхность которых образована набором тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью. Их разделяют по степени доступности поверхности теплообмена для механической очистки и осмотра на разборные, полуразборные и неразборные (сварные). Наиболее широко применяют разборные пластинчатые теплообменники, в которых пластины отделены одна от другой прокладками. Монтаж и демонтаж этих аппаратов осуществляют достаточно быстро, очистка теплообменных поверхностей требует незначительных затрат труда. Пластины полуразборных теплообменников попарно сварены, и доступ к поверхности теплообмена возможен только со стороны хода одной из рабочих сред. Пластины неразборных теплообменников сварены в блоки, соединенные на прокладках в общий пакет.

Основные размеры и параметры наиболее распространенных в промышленности пластинчатых теплообменников определены ГОСТ 15518. Их изготовляют с поверхностью теплообмена от 2 до 600 м2 в зависимости от типоразмера пластин; эти теплообменники используют при давлении до 1,6 МПа и температуре рабочих сред от -30 до +180° С для теплообмена между жидкостями и парами (газами) в качестве холодильников, подогревателей и конденсаторов. Серийно выпускаемые разборные пластинчатые теплообменники могут работать с загрязненными рабочими средами при размере твердых включений не более 4 мм.

Разборные пластинчатые теплообменники изготовляют в пяти исполнениях, в том числе на консольной раме (исполнение 1), на двух-опорной раме (исполнение 2), на трехопорной раме (исполнение 3). Разборный пластинчатый теплообменник на двухопорной раме (исполнение 2) показан на рисунке 23. Аппарат состоит из ряда теплообменных пластин 4, размещенных на верхней и нижней горизонтальных штангах 3. Концы штанг закреплены в неподвижной плите 2 и на стойке 7. Нажимной плитой 11 и винтом 8 пластины сжимаются, образуя теплообменную секцию.

1, 9, 10 и 12 — штуцера; 2 — неподвижная плита; 3 — штанга; 4 — теплообменная пластин 5 и 6 — прокладки; 7 — стойка; 8 — винт; 11 — нажимная плита; а, б, в и г — проходные отверстия

Рисунок 23 - Разборный пластинчатый теплообменник (исполнение 2)

 

Теплообменные пластины имеют четыре проходных отверстия (а, б, в, г), которые образуют две изолированные одна от другой системы каналов. Для уплотнения пластин и каналов имеются резиновые прокладки. Прокладка 6 уложена в паз по контуру пластины и охватывает два отверстия на пластине, через которые происходят приток и вывод теплоносителя в канал между смежными пластинами, а прокладки 5 герметизируют два других отверстия на пластине. Для ввода теплоносителей в аппарат и их вывода предназначены штуцера 1, 9, 10, 12, расположенные на неподвижной и подвижной плитах.

Теплообменные пластины различаются расположением в них отверстий для теплоносителей на пластины с диагональным  расположением отверстий. И те, и друг выполняют левыми и правыми. Благодаря чередованию в пакете лев! и правых пластин образуются две изолированные системы каналов.

Рисунок 24- Пластины с диагональным (а) и односторонним (б) расположением отверстий

 

Пластины с односторонним расположением отверстий взаимозаменяемы. При сборке правые пластины получают поворотом их относительно левых на 180°. Левые и правые пластины с диагональным расположением отличаются расположением прокладки и поэтому не являются взаимозаменяемыми. Кроме рассмотренных теплообменных пластин в аппаратах используют граничные пластины, устанавливаемые на концах пакетов.

Серийно выпускаемые пластинчатые теплообменники комплектуют пластинами, штампованными из листового металла толщиной 1 мм. Гофры пластин обычно имеют в сечении профиль равностороннего треугольника высотой 4...7 мм и основанием длиной 14...30 мм (для вязких жидкостей до 75 мм). Гофры выполняют горизонтальными, «в елочку», под углом к горизонтали и др. Материал пластин — оцинкованная или коррозионно-стойкая сталь, титан, алюминий, мельхиор.

В разборных теплообменниках пластины 2 обычно крепят скобой 3 на верхней штанге 1. Нижняя штанга не несет нагрузки от массы пластин и служит лишь для фиксации их в  заданном положении. Такое закрепление пластин позволяет легко извлечь их из пакета или вставить в него без снятия подвижной плиты и остальных пластин.

Рисунок 25-Узел крепления пластины на верхней штанге: 1 — верхняя штанга; 2 — пластины; 3 — скоба

Прокладки пластинчатых теплообменников изготовляют из резины формованием и укрепляют в пазу пластины на клею. Стойки и прижимные плиты пластинчатых теплообменников изготовляют из углеродистых сталей толщиной 8...12 мм. К недостаткам пластинчатых теплообменников следует отнести невозможность их использования при давлении более 1,6 МПа.

 

1.8 Спиральные  теплообменные аппараты

 

Спиральные теплообменники получили в промышленности сравнительно широкое распространение, что объясняется рядом важных преимуществ по сравнению с теплообменными аппаратами других типов. Спиральные теплообменники могут изготовляться из любого рулонного материала, подвергаемого холодной обработке и свариванию. Теплообменники компактны, их конструкция предусматривает возможность полного противотока. Площадь поперечного сечения каналов по всей длине остается неизменной, и поток не имеет резких изменений направлений, благодаря чему загрязнение поверхности спиральных теплообменников меньше, чем теплообменных аппаратов других типов, кроме того, ряд конструкций их позволяет проводить сравнительно легкую очистку в случае, не требующем для удаления осадка механического воздействия. Гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников при одинаковой скорости движения жидкости меньше, чем у кожухотрубчатых.

Спиральные теплообменники различных конструкций нашли применение для систем жидкость-жидкость, для систем жидкость-пар в качестве конденсаторов, нагревателей и испарителей, для охлаждения и нагревания парогазовых смесей. Спиральные теплообменники специальной конструкции могут компоноваться с ректификационными колоннами и применяться в качестве дефлегматоров. Одно из назначений спиральных теплообменников — нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей. Так как вязкая жидкость проходит по одному каналу, то устраняется проблема равномерного распределения вязкой жидкости по трубам. Нами для вязких жидкостей (прядильный раствор синтетического волокна «нитрон») испытывался спиральный теплообменник со сквозными каналами для прядильного раствора и спиральным каналом, по которому поступали пар или охлаждающая вода (рисунке 26). Спиральные теплообменники могут успешно применяться для шламов и жидкостей, содержащих волокнистые материалы. Применение специальных теплообменников для газов ограничено малым поперечным сечением канала.

Рисунок 26 - Схема движения жидкости в спиральном теплообменнике

Спиральные теплообменники применяются в гидролизной промышленности в качестве дефлегматоров, рекуператоров тепла в отбелочных отделениях, конденсаторов терпентиновых паров и поверхностных конденсаторов в выпарных отделениях; в химической промышленности - в качестве теплообменников при производстве серной, азотной и фосфорной кислот, в качестве конденсаторов для различных органических соединений; в коксогазовой промышленности - для охлаждения аммиачной воды, бензола и поглотительного масла, в алюминиевой промышленности — в качестве теплообменников для алюминатных растворов; в сахарной и пищевой промышленности — для нагрева и охлаждения раствора сахара и фруктовых соков.

Спиральный теплообменник представляет собой два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки — керна.

По видам уплотнения торцов каналы делятся на три основных типа:

- тупиковые каналы, каждый из которых заваривается с противоположной стороны при помощи вставленной ленты. Такой способ уплотнения исключает возможность смешения теплоносителей при прорыве прокладки. После снятия крышек оба канала легко подвергаются чистке. Этот способ уплотнения каналов наиболее распространен;

— глухие каналы, в которых канал заваривается на торцах с обеих сторон. Недостаток этого типа уплотнения заключается в невозможности чистки каналов;

— сквозные каналы, открытые с торцов. Уплотнение достигается при помощи манжет U-образного сечения или листового прокладочного материала. Каналы такого типа легко поддаются чистке; основной их недостаток заключается в возможности перетока теплоносителя из одного канала в другой.

В конструкциях теплообменников встречаются и различные комбинации вышеуказанных каналов. Для придания спиральным теплообменникам жесткости, особенно при давлении выше 0,3 МПа (3 кгс/см2), в большинстве теплообменников к одной из лент перед навивкой приваривают штифты. Кроме создания жесткости, штифты фиксируют расстояние между спиралями.

Согласно ГОСТ 12067 навивка спиральных теплообменников производится из рулонной стали шириной от 0,2 до 1,5 м, поверхность нагрева теплообменников от 3,2 до 100 м2, ширина канала 8 или 12 мм, давление до 1 МПа (10 кгс/см2). Толщина стенок при давлении до 0,3 МПа - 2 мм, до 0,6 МПа - 3 мм.

Спиральные теплообменники выпускаются двух типов; тип 1 с тупиковыми каналами (с крышами) и тип 2 с глухими каналами (без крышек). Тип 1 выпускается в четырех исполнениях: горизонтальный теплообменник на лапах для жидкостей (рисунок 27а); горизонтальный теплообменник на цапфах для жидкостей (рисунок 276); вертикальный теплообменник на цапфах для конденсации паров (рисунок 27в); вертикальный теплообменник на цапфах для парогазовой смеси (рисунок 27г).

а — горизонтальные на лапах для жидкостей; б — горизонтальные на цапфах для жидкостей; в — вертикальные на цапфах для конденсации пара; г — вертикальные на цапфах для парогазовых смесей

Рисунок 27- Спиральные теплообменники с тупиковыми каналами (тип 1)

 

Тип 2 выпускается в трех исполнениях: горизонтальный на лапах; горизонтальный на цапфах; вертикальный на лапах (рисунок 28). Спиральные теплообменники изготовляют из углеродистой стали СтЗ и из легированных марок 12Х18Н10Т, 0Х18Н10Т и Х17Н12М2Т. Для изготовления крышек может применяться двухслойная сталь марок СтЗ+12Х18Н10Т и 20К + Х17Н13М2Т и др. В качестве прокладок применяют резину, паронит, фторопласт, асбестовый картон и др.

Теплообменники спиральные для жидкости состоят из корпуса спирали с тупиковыми каналами, двух плоских крышек по торцам с прокладками, четырех штуцеров для входа и выхода теплоносителей, два из которых установлены в центральной части крышки, а два — в верхней части корпуса на коллекторах. Корпус спирали выполняется на лапах для установки непосредственно на фундаменте в горизонтальном исполнении или на цапфах для установки в любом положении: вертикальном, горизонтальном и наклонном.

Принцип работы спиральных теплообменников для жидкостей заключается в следующем: первый теплоноситель поступает под давлением через штуцер на одной из крышек в камеру центровика, а затем по каналу спирали — в коллектор и через штуцер выходит из теплообменника. Второй теплоноситель через штуцер коллектора поступает в смежный канал спирали противотоком по отношению к первому теплоносителю и выходит через штуцер второй крышки. Спиральные теплообменники для конденсации паров изготовляются только в вертикальном варианте и состоят из корпуса спирали с тупиковыми каналами, двух крышек (верхней — с конусом для подвода пара к каналам и нижней с прокладками для уплотнения каналов), четырех штуцеров для входа и выхода теплоносителей, два из которых установлены в крышках, а два — в боковых коллекторах, причем один из них для вывода конденсата установлен в нижней части коллектора.

Рисунок 28 - Вертикальный теплообменник на лапах с глухими каналами (тип 2)

 

Спиральные теплообменники для парогазовой смеси отличаются от теплообменников для конденсации паров только тем, что они имеют еще штуцер для выхода газов после отделения от них конденсата, который установлен в середине коллектора, на котором имеется штуцер для выхода конденсата. Вертикальное расположение каналов конденсаторов исключает образование пробок конденсата и гидравлические удары. Пар или парогазовая смесь поступает в аппарат через штуцер большого диаметра одновременно в большинство каналов, кроме нескольких крайних наружных. Образующийся конденсат стекает по вертикальной стенке каналов, собирается в нижней части каналов теплообменника и стекает по спирали в штуцер для конденсата, расположенный у нижней стороны канала. Остатки не конденсировавшегося пара или парогазовой смеси проходят несколько наружных витков канала по спирали и после охлаждения отводятся через штуцер на коллекторе тупиковых каналов.