Теплообменные аппараты. Классификация, методы расчета

Элементные (секционные) теплообменные аппараты

Эти теплообменные аппараты состоят из последовательно соединенных элементов—секций. Сочетание нескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу многоходового кожухотрубчатого аппарата, работающего на наиболее выгодной схеме — противоточной. Элементные теплообменные аппараты эффективны в случае, когда теплоносители движутся с соизмеримыми скоростями без изменения агрегатного состояния. Их также целесообразно применять при высоком давлении рабочих сред. Отсутствие перегородок снижает гидравлические сопротивления и уменьшает степень загрязнения межтрубного пространства. Однако по сравнению с многоходовыми кожухотрубчатыми теплообменниками элементные теплообменные аппараты менее компактны и более дороги из-за увеличения числа дорогостоящих элементов аппарата—трубных решеток, фланцевых соединений, компенсаторов и др.

Двухтрубные теплообменные аппараты типа “труба в трубе”

теплообменные аппараты этого типа состоят из ряда последовательно соединенных звеньев. Каждое звено представляет собой две соосные трубы. Для удобства чистки и замены внутренние трубы обычно соединяют между собой «калачами» или коленами. Двухтрубные теплообменные аппараты, имеющие значительную поверхность нагрева, состоят из ряда секций, параллельно соединенных коллекторами. Если одним из теплоносителей является насыщенный пар, то его, как правило, направляют в межтрубное (кольцевое) пространство. Такие теплообменные аппараты часто применяют как жидкостные или газожидкостные. Подбором диаметров внутренней и наружной труб можно обеспечить обеим рабочим средам, участвующим в теплообмене, необходимую скорость для достижения высокой интенсивности теплообмена.

Преимущества двухтрубного теплообменника: высокий коэффициент теплоотдачи, пригодность для нагрева или охлаждения сред при высоком давлении, простота изготовления, монтажа и обслуживания.

Недостатки двухтрубного теплообменника — громоздкость, высокая стоимость вследствие большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, сложность очистки кольцевого пространства.

Витые теплообменные аппараты

Поверхность нагрева витых теплообменников компонуется из ряда концентрических змеевиков, заключенных в кожух и закрепленных в соответствующих головках. Теплоносители движутся по трубному и межтрубному пространствам. Витые теплообменные аппараты широко применяют в аппаратуре высокого давления для процессов разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения. Эти теплообменные аппараты характеризуются способностью к самокомпенсации, достаточной для восприятия деформаций от температурных напряжений.

Оросительные теплообменные аппараты

Оросительные теплообменные аппараты представляют собой ряд расположенных одна над другой прямых труб, орошаемых снаружи водой. Трубы соединяют сваркой или на фланцах при помощи «калачей». Оросительные теплообменные аппараты применяют главным образом в качестве холодильников для жидкостей и газов или как конденсаторы. Орошающая вода равномерно подается сверху через желоб с зубчатыми краями. Вода, орошающая трубы, частично испаряется, вследствие чего расход ее в оросительных теплообменниках несколько ниже, чем в холодильниках других типов. Оросительные теплообменные аппараты — довольно громоздкие аппараты; они характеризуются низкой интенсивностью теплообмена, но просты в изготовлении и эксплуатации. Их применяют, когда требуется небольшая производительность, а также при охлаждении химически агрессивных сред или необходимости применения поверхности нагрева из специальных материалов (например, для охлаждения кислот применяют аппараты из кислотоупорного ферросилида, который плохо обрабатывается).

Ребристые теплообменные аппараты

Ребристые теплообменные аппараты применяют для увеличения теплообменной поверхности оребрением с той стороны, которая характеризуется наибольшими термическими сопротивлениями. Ребристые теплообменные аппараты (калориферы) используют, например, при нагревании паром воздуха или газов. Важным условием эффективного использования ребер является их плотное соприкосновение с основной трубой (отсутствие воздушной прослойки), а также рациональное размещение ребер.

Ребристые теплообменные аппараты широко применяют в сушильных установках, отопительных системах, как экономайзеры и аппараты воздушного охлаждения.

Спиральные теплообменные аппараты

В спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке (керну) и свернутыми в виде спиралей. Для придания листам жесткости и прочности, а также для фиксирования расстояния между спиралями к листам с обеих сторон приварены дистанционные бобышки. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцовыми крышками. Уплотнение каналов в спиральных теплообменниках осуществляют различными способами. Наиболее распространен способ, при котором каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. При этом предотвращается смешение теплоносителей, а в случае неплотности прокладки наружу может просачиваться только один из теплоносителей. Кроме того, такой способ уплотнения дает возможность легко чистить каналы.

Если материал прокладки разрушается одним из теплоносителей, то один канал заваривают с обеих сторон (“глухой” канал), а другой уплотняют плоской прокладкой. При этом “глухой" канал недоступен для механической очистки.

Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных) каналов применяют лишь в тех случаях, когда смешение рабочих сред (при нарушении герметичности) безопасно и не вызывает порчи теплоносителей.

Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами, прижимаемыми силой внутреннего давления к выступам в крышке.

Спиральные теплообменные аппараты отличаются компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями и значительной интенсивностью теплообмена при повышенных скоростях теплоносителей.

Теплообменные аппараты с радиально-спиральным ходом среды конструкции «ФАСТ ИНЖИНИРИНГ»®

Теплообменный аппарат спирально-радиального типа может быть использован для проведения процессов теплообмена жидких и газообразных сред в теплоэнергетике, химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, металлургической и других отраслях промышленности. На схеме изображен теплообменный аппарат новой конструкции. Теплообменные поверхности формируются из попарно сваренных по контуру рифленых или плоских листов. В сечении, перпендикулярном оси аппарата, листам придается форма спирали Архимеда. Попарно сваренные листы образуют внутренние полости, которые сообщаются с входом и выходом одного из потоков среды, а внешние поверхности листов образуют внешние полости, сообщенные с входом и выходом другого потока среды. Рифленые листы, развернутые на 180°, плотно прилегают друг к другу. Гидравлическое сопротивление потоков среды в теплообменнике новой конструкции ниже, чем в традиционно применяемых теплообменниках. Конструкция аппарата позволяет создавать теплообменные аппараты на заданную потерю давления.

Такая конструкция теплообменного аппарата примерно в 2…3 раза компактнее и легче пластинчатых теплообменников и в 7…10 раз - кожухотрубных теплообменников. теплообменные аппараты со спиралеобразными формами рифленых теплообменных поверхностей можно использовать при больших перепадах давлений и температур теплообменных сред. При формировании теплообменных поверхностей теплообменника из плоских спиралеобразных листов возможно проведение процесса теплообмена газа или жидкости, содержащей взвеси твердых частиц