Виды тепловых аппаратов

Оросительный теплообменник

4. Оросительные теплообменники применяют в основном для охлаждения жидкостей и газов или конденсации паров.

Оросительный теплообменник представляет собой змеевик (рис. 6) из размещенных друг над другом прямых труб 1, соединенных между собой калачами 2. Снаружи трубы орошают водой, которую подают в желоб 3 для равномерною распределения охлаждающей воды по всей длине верхней трубы змеевика. Отработанная вода поступает в корыто 4 для сбора воды. По трубам протекает охлаждаемый теплоноситель.

Орошающая теплообменник вода при перетекании по наружным стенкам труб частично испаряется. Но при этом происходит необратимая потеря воды. Во избежание сильного увлажнения воздуха в помещении оросительные теплообменники обычно устанавливают на открытом воздухе. По этой же причине, если оросительный теплообменник необходимо установить в помещении, его приходится помещать в громоздкие кожухи.

К недостаткам этих теплообменников следует отнести также громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние ряды которых могут вообще не смачиваться и практически не участвовать в теплообмене. Поэтому, несмотря на простоту изготовления, легкость чистки наружных стенок труб и другие достоинства, оросительные теплообменники находят ограниченное применение.

5.  Теплообменники типа «труба  в трубе» представляют собой  набор последовательно соединенных элементов, состоящих из двух концентрически расположенных труб.

Один теплоноситель движется по внутренним трубам 1, другой - по кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Внутренние трубы соединяются с помощью калачей 3, а наружные с помощью соединительных патрубков 4. Длина элемента теплообменника типа «труба в трубе» обычно составляет 3-6 м, диаметр наружной трубы -76-159 мм, внутренней - 57-108 мм.

Теплообменники типа «труба в трубе»

Поскольку сечения внутренней трубы  и кольцевого зазора невелики, то в этих теплообменниках достигаются значительные скорости движения теплоносителей (до 3 м/с), что приводит к увеличению коэффициентов теплопередачи и тепловых нагрузок, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Однако двухтрубные теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, на их изготовление требуется больше металла на единицу поверхности теплообмена. Двухтрубные теплообменники применяют для процессов со сравнительно небольшими тепловыми нагрузками и соответственно малыми поверхностями теплообмена (не более десятков квадратных метров).

 Теплообменники типа «труба  в трубе»  используют для охлаждения  или нагревания в системе жидкость—жидкость, когда расходы теплоносителей невелики и последние не меняют своего агрегатного состояния.

6. Испарители применяются для  испарения жидкости или для  увеличения концентрации раствора путем испарения части растворителя.

 Испарители и парообразователи широко применяются для уменьшения и восполнения потерь конденсата. Их можно разделить на аппараты с естественной циркуляцией воды между трубками и с принудительной циркуляцией воды в кипятильных трубках.

Давление с испарителя выбирается таким образом, чтобы обеспечивать нужную температуру кипения. Поскольку испарители часто работают под вакуумом, то температура в них ниже нормальной температуры кипения.

В испарителях, в которых жидкость движется снизу вверх по вертикальным трубам, температура кипения жидкости внизу выше, чем вверху, из-за большего гидростатического давления. Таким образом, в нижней части труб кипение отсутствует и температура увеличивается до достижения температуры кипения, соответствующей локальному давлению. Затем возникает кипение вследствие большого подвода теплоты и мгновенного парообразования в перегретой жидкости, и температура уменьшается. Следовательно, разность температур в середине труб меньше, чем на концах, что может привести к значительному снижению характеристик в вертикальных испарителях (как с короткими, так и с длинными трубами), а также испарителях типа «корзины». Для повышения концентрации растворов необходимо учитывать рост температуры кипения при увеличении концентрации.

В качестве примера испарителя воды с естественной циркуляцией на рис.7  представлен вертикальный аппарат.  Коэффициент теплопередачи 3000-4000 Вт/м2∙К. Естественная циркуляция в этом аппарате происходит вследствие того, что образующаяся в кипятильных трубках пароводяная эмульсия имеет меньшую плотность, чем вода в кольцевом зазоре между корпусом и трубной системой, где ей сообщается значительно меньшее удельное количество тепла на единицу объема.

Вертикальный испаритель:

1- парообразующее пространство;

2- патрубок для подачи греющего пара;

3-патрубок для подачи выпариваемой жидкости;

4- нижняя крышка;

5- отвод конденсата пара;

6- трубка для сдувок;

7- греющая камера;

8- трубка для сдувок неконденсируемого  газа;

9- дренаж сепаратора;

10- сепаратор;

11- патрубок для отвода сухого  пара.

При этом в трубках устанавливается подъемное движение пароводяной эмульсии, а в кольцевом зазоре — опускное движение воды. Паровые пузырьки по выходе среды из трубок переходят в паровой объем. Уровень воды в аппарате поддерживается с помощью поплавкового регулятора питания выше верхней трубной решетки. Первичный (греющий) пар поступает в межтрубное пространство греющей камеры. Для отделения влаги из вторичного пара в верхней части парового пространства встроено сепарирующее устройство.

Паропреобразователь  - теплообменный  аппарат для испарения воды; разновидность испарителя, отличающаяся тем, что конечным продуктом рабочего процесса является не дистиллят (питательная вода), а пар водяной.

2.Змеевиковые теплообменники

Основным теплообменным элементом является змеевик-труба, согнутая по определенному профилю.

Конструкция змеевикового теплообменника показана на. Аппарат имеет корпус 1, в котором размещен змеевик 3 или система змеевиков. Витки змеевика ориентированы по винтовой линии. При большой площади поверхности теплообмена змеевики по длине набирают из нескольких секций. Во избежание прогибов труб при большом числе витков и большом диаметре навивки каждый виток закрепляют болтами на стойках.

 

Змеевиковый теплообменник:

1-     корпус

2-     стакан

3-     змеевик из трубы 

Пар вводится в верхнюю часть корпуса через вход п1 со скоростью до 50 м/с, выходит снизу через выход п2. Охлаждающая жидкость поступает в змеевик снизу через вход B1 и движется в нем со скоростью до [1]м/с, выходит через выход В2. Разность давлений теплоносителей в змеевиковых аппаратах может достигать 10 МПа.

Скорость движения жидкости мала вследствие большого сечения корпуса аппарата, что обусловливает низкие значения коэффициентов теплоотдачи от наружной стенки змеевика к жидкости (или наоборот). Для увеличения этого коэффициента теплоотдачи повышают скорость движения жидкости путем установки в корпусе аппарата, внутри змеевика, стакана. В этом случае жидкость движется по кольцевому пространству между стенками аппарата и стакана с повышенной скоростью.

Погружные змеевиковые теплообменники имеют сравнительно не-большую поверхность теплообмена (до 10-15 м2). Змеевиковые теплообменные аппараты – это аппараты, в которых теплообменная поверхность выполнена в виде объемного или плоского змеевика, расположенного в корпусе теплообменного аппарата, а теплоноситель с высоким давлением подается в трубное пространство змеевика. Эти аппараты применяют в химической, нефтехимической, газовой, а также в холодильной и пищевой отраслях промышленности. Теплообменные аппараты такого типа определяют как аппараты нежесткой конструкции с компенсацией температурных напряжений в результате свободного удлинения змеевика.

Классификация змеевиковых теплообменных  аппаратов. Эти аппараты классифицируют по назначению, по агрегатному состоянию теплоносителей и схемы их относительного движения, по конфигурации тепло – обменных элементов и их ориентации, по месту их расположения и виду компоновки, по характеру теплового контакта: По технологическому назначению – как кожухотрубчатые рекуперативные теплообменные аппараты;

По конфигурации змеевика – с  плоскими спиральными зигзагообразными объемными цилиндрической и конической формы;

По ориентации теплообменных элементов  в пространстве – с горизонтальным, вертикальным или наклонным расположением змеевиков;

По месту расположения теплообменных  элементов – с внутренними  змеевиками, установленными внутри корпуса, и с внешними.

Теплообменные элементы змеевиковых  теплообменных аппаратов

Размещенными на корпусе. Как правило, аппараты с внутренними теплообменными элементами называют погружными, а с внешними – теплообменными аппаратами с наружными змеевиками;

По числу заходов змеевика – одно – и многозаходные (многоэлементные);

По характеру теплового контакта теплообменных элементов с теплоносителем – погружные и оросительные.

Конструкции змеевиковых теплообменных аппаратов. Основным узлом аппарата является теплообменный элемент – змеевик. Представляющий собой трубу, как правило, круглого поперечного сечения, плоской или объемной конфигурации. На рис. 4.1.19 показан одноэлементный змеевиковый аппарат общепромышленного назначения, работающий по перекрестно – противоточной схеме взаимодействия теплоносителей. Аппарат состоит из змеевика , витки которого ориентированы по винтовой линии, цилиндрического стакана 2 и корпуса 3. Пар П\ вводится в верхнюю часть корпуса со скоростью до 50 м/с и выходит снизу П2. В трубное пространство змеевика снизу поступает нагреваемая жидкость В которая движется со скоростью до 2 м/с вверх к выходу В2- Разность давлений теплоносителей в теплообменнике может достигать до 10 МПа.В многозаходном змеевиковом аппарате витые трубы концами вваривают в трубные решетки 1. Теплопередающая поверхность состоит из большого количества змеевиков 2, расположенных по винтовой линии в кольцевом пространстве между внутренним барабаном 3 и кожухом 4. Один из теплоносителей движется внутри труб змеевика,

Многоэлементный змеевиковый теплообменный  аппарат с витыми трубами

Одноэлементный змеевиковый теплообменный  аппарат промышленного значения

Другой – вдоль оси корпуса аппарата и обтекает трубы почти в перпендикулярном к ним направлении. Теплообменные аппараты такой конструкции нашли применение в установках низкотемпературного разделения воздуха.

В многозаходном противоточно-винтовом аппарате для нагрева воды интенсификация теплообмена достигается в результате высоких скоростей движения теплоносителей. Нагреваемая вода поднимается по нескольким параллельно включенным змеевикам 10, а пар идет противотоком по спиральному каналу, образованному винтовыми перегородками 5. Подогреваемая вода входит в патрубок 8, опускается по трубе 3 в нижние коллекторы 2 и движется по змеевикам 10 вверх. Из змеевиков вода поступает в верхние коллекторы 9 и по кольцевому сечению между трубами 3 и 4 выходит в патрубок 7. Греющий пар через патрубок в крышке б поступает в аппарат и по спиральным каналам движется сверху вниз. Конденсат пара выходит из патрубка 1. Такая конструкция допускает большие скорости движения теплоносителей как в змеевиках, так и в корпусе аппарата, что обеспечивает высокие коэффициенты теплопередачи.

 Многоэлементный противоточно  – в и НТО вой змеевиковый  теплообменный аппарат для нагрева воды

Многоэлементный змеевиковый тепло  – обменный аппарат с плоскими спиральными змеевиками для охлаждения азотоводородной смеси состоит из четырех кольцевых секций 7, включенных параллельно по ходу газа и жидкости .К наружной и внутренней

Многоэлементный змеевиковый теплообменный  аппарат с плоскими спиральными змеевиками для охлаждения азотоводородной смеси

Обечайкам кожуха 5 каждой секции крепятся коллекторы 3 для подвода и отвода из секций охлаждающей жидкости. Коллекторы секций смещены один относительно другого на 90°. Газ в каждую секцию подводится сверху по вертикальному коллектору 2 и распределяется по приваренным к нему нескольким (10 – 14) плоским спиральным змеевикам 4, расположенным параллельно один над другим. Охлажденная газовая смесь выводится по такому же коллектору у внутренней обечайки кожуха. Между плоскими змеевиками установлена спиральная перегородка из листовой стали, сообщающая жидкости в межтрубном пространстве направление движения по спирали вдоль витков теплообменных элементов противоточно газовой смеси. Такой аппарат обладает хорошей способностью к самокомпенсации температурных напряжений, относительно малым гидравлическим сопротивлением, но достаточно сложен в изготовлении и монтаже. Проектирование змеевиковых теплообменников представляет собой комплексную задачу, включающую тепловой, конструктивный, гидравлический и прочностной расчеты.Расчет змеевикового теплообменного аппарата. Тепловой расчет сводится к определению площади поверхности теплопередачи, величина которой рассчитывается по уравнению по аналогии расчета кожухотрубчатых теплообменников. Однако при расчете коэффициента теплопередачи по уравнению коэффициенты теплоотдачи в трубном aj и межтрубном aj пространствах для змеевикового теплообменного аппарата определяются по формулам, полученным для этих теплообменников.

 

 

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Удовлетворять все технические  потребности множества схем теплоснабжения не сможет никакой теплообменный аппарат. Все, что необходимо, это провести качественный расчет и подбор теплообменного аппарата для конкретных рабочих условий.

Теплообмен является ключевым технологическим  процессом в любой отрасли пищевой, химической, металлургической или энергетической промышленности. В его основе лежит процесс теплоотдачи через разделяющие потоки пластины. Не смотря на элементарность происходящих внутри теплообменника процедур, он считается сложным оборудованием, которое может функционировать по трем, абсолютно различным принципам: посредством конвекции, теплового излучения и теплопроводности.