Теплообменные аппараты типа -«труба в трубе»

Теплообменные аппараты «труба в трубе» используют главным об­разом для охлаждения или нагревания в системе жидкость-жидкость, когда расходы теплоносителей невелики и последние не меняют свое­го агрегатного состояния. Иногда такие теплообменники применяют при высоком давлении для жидких и газообразных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве метанола, аммиака и др. Так­же их используют для загрязненных коксообразующими веществами и механическими примесями теплоносителей, в которых обеспечивает­ся хороший теплообмен за счет больших скоростей и турбулентности потоков в трубном и межтрубном пространствах. Высокие скорости и турбулентность потока уменьшают возможность отложения на стен­ках труб кокса или других образований.

Рис. 2.49. Теплообменник типа «труба в трубе»: а — общий вид; б — вариант жесткого крепления труб; в — вариант крепления труб с компенсирующим устройством

По сравнению с кожухотрубчатыми теплообменники «труба в трубе» имеют меньшее гидравлическое сопротивление межтрубного про­странства. Однако при равных теплообменных характеристиках они ме­нее компактны и более металлоемки, чем кожу-хотрубчатые.

Теплообменники «тру­ба в трубе» могут быть разборными или нераз­борными, одно- и много­поточными.

Однопоточный нераз­борный теплообменник (рис. 2.49) состоит из от­дельных звеньев, в каждый из которых входят трубы наружная (или кожухо-вая) 1 и внутренняя (или теплообменная) 2. Наруж­ная труба двумя привар­ными кольцами связана с внутренней трубой 2 в зве­но. Звенья, в свою очередь, собраны в вертикальный Ряд и составляют тепло-обменную секцию. При этом внутренние трубы соединены между собой коленами 3, а наружные — штуцерами 4 на фланцах или сваркой. Звенья закреплены скобами на металлическом каркасе 5.

Нетрудно видеть, что неразборные теплообменники являются кон­струкцией жесткого типа, поэтому при разности температур более 70 °С их не используют. При большей разности температур труб, а также при необходимости механической очистки межтрубного пространства при­меняют теплообменники с компенсирующим устройством на наружной трубе. В этом случае кольцевую щель между трубами с одной стороны наглухо заваривают, а с другой — уплотняют сальником 6.

Однопоточные неразборные теплообменники изготовляют из труб длиной 3...12 м с диаметром внутренних труб 25...159 мм и наружных соответственно 48... 219 мм на условное давление для наружных труб до 6,4 МПа и для внутренних до 16 МПа.

В разборных конструкциях теплообменников обеспечивается компенсация деформаций теплообменных труб. На рис. 2.50 показа­на конструкция разборного многопоточного теплообменника «труба в трубе», конструктивно напоминающего кожухотрубчатый тепло­обменник типа ТУ.

Аппарат состоит из кожуховых труб 5, развальцованных в двух трубных решетках: средней 4 и правой 7. Внутри кожуховых труб раз­мещены теплообменные трубы 6, один конец которых жестко связан с левой трубной решеткой 2, а другой — может перемещаться. Сво­бодные концы теплообменных труб попарно соединены коленами 8 и закрыты камерой 9. Для распределения потока теплоносителя по теплообменным трубам служит распределительная камера 1, а для распределения теплоносителя в межтрубном пространстве — рас­пределительная камера 3. Пластинами 11 кожуховые трубы жестко связаны с опорами 10.

Теплообменник имеет два хода по внутренним трубам и два по на­ружным. Узлы соединения теплообменных труб с трубной решеткой (узел I) и с коленами (узел II) уплотнены за счет прижима и деформа­ции полушаровых ниппелей в конических гнездах.

Эти аппараты могут работать с загрязненными теплоносителями, так как внутреннюю поверхность теплообменных труб можно подвер­гать механической очистке. Поскольку возможность температурных удлинений кожуховых труб из-за жесткого соединения их с опорами ] ограниченна, перепад температур входа и выхода среды, текущей по кольцевому зазору, не должен превышать 150 "С.

Рис. 2.50. Разборный двухпоточный теплообменник типа «труба в трубе»

Погружные аппараты

Специфической особенностью аппаратов этого типа является наличие емкости-ящика, в которую погружены теплообменные трубы. В ящике находится охлаждающая среда, например вода. Аппараты этого типа ис­пользуют в качестве холодильников или конденсаторов-холодильников.

Различают змеевиковые и секционные аппараты. Принципиальное устройство однопоточного погружного конденсатора-холодильника показано на рис. 2.51. Теплообменная поверхность состоит из труб, со-

единенных при помощи сварки или на фланцах; переход из одной трубы в другую осуществлен при помощи двойников. Охлаждаемый поток по­следовательно проходит трубы, расположенные в данном горизонтальном Ряду, после чего перехо­дит в трубы следующего Ряда и т. д.

Рис. 2.51. Схема однопоточного погружного змеевикового конденсатора-холодильника: 1—парынефтепродукта; // — охлажденный нефтепродукт; /// — холодная вода; IV— нагретая вода

При большом расходе охлаждающегося потока для уменьшения гидрав­лического сопротивления применяют коллекторные змеевиковые холодильники (рис. 2.52), в которых охлаж­даемый поток при помощи специального коллектора разбивается на несколь­ко параллельных потоков. Меньшее гидравлическое сопротивление коллектор­ного аппарата по сравнению с однопоточным достигается за счет сни­жения скорости потока и длины пути.

Рис. 2.52. Схема коллекторного погружного конденсатора-холодильника: / — пары нефтепродукта; // — охлажденный нефтепродукт; /// — холодная вода; IV— нагретая вода

В случае использования подобного аппарата в качестве конденсато­ра-холодильника, когда вследствие частичной или полной конденсации объем потока резко уменьшается, можно применять коллекторные по­гружные аппараты с переменным числом потоков. В начале аппарата, где движутся в основном пары, объем которых значителен, число парал­лельных потоков может быть более высоким, чем в той части аппарата, где завершена конденсация паров и происходит охлаждение конденсата. Такое устройство полезно для повышения теплового эффекта аппарата, так как при сохранении первоначального числа потоков по всему их пути скорость движения конденсата в конечной части аппарата может оказаться небольшой, а следовательно, коэффициент теплопередачи в этой части аппарата будет низким.

Следует иметь в виду, что неправильный выбор места сокращения числа потоков по пути конденсирующейся среды может привести к повышению гидравлических сопротивлений, как это имело место на некоторых действующих установках.

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.

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.

Рис. 2.53. Схема оросительного коллекторного конденсатора-холодильника: / — охлаждаемый нефтепродукт; // — охлажденный нефтепродукт; /// — холодная вода; IV — нагретая вода

Чаще всего это коллекторные змеевики (рис. 2.53). 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.

Пластинчатые теплообменники

Пластинчатые теплообменники представляют собой аппараты, теп-лообменная 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 2.54. 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 тепло-обменную секцию.

Рис. 2.54. Разборный пластинчатый теплообменник (исполнение 2): 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

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.

Показанный на рис. 2.55 теплообменник на трехопорной раме (ис­полнение 3) состоит из неподвижной плиты 3, в которой закреплены верхняя 2 и нижняя 1 горизонтальные штанги. На штангах размещены теплообменные пластины 4 и подвижные плиты 5. Для сжатия пакета пластин предназначены стяжки 6.

Рис. 2.55. Пластинчатый теплообменник (исполнение 3); 1 и 2 — нижняя и верхняя штанги; 3 — неподвижная плита; 4 — теплообменные пластины; 5 — под­вижные плиты; б — стяжки

В изображенном на Рис. 2.56 теплообмен­нике пластины ском­понованы в два сим­метричных пакета — каждый для одного из теплоносителей.

Рис. 2.56. Схема компоновки пластинчатого теплообменника в два симметричных пакета

Если расходы тепло­носителей значительно различаются, то для под­держания постоянного ' гидравлического сопро­тивления каналов при­меняют несимметрич­ные схемы компоновки пластин; при этом число \

каналов и пакетов для каждого теплоносителя неодинаково. Приме-; ром может служить схема компоновки теплообменника, показанная \ на рис. 2.57.

Рис. 2.57. Несимметричная схема компоновки пластин

Для конденсации паров из смеси с неконденсирующимися газами ] используют схему компоновки (рис. 2.58а). Сконденсировавшаяся фаза IV выделяется из парогазовой смеси II в каналах вне первого пакета i и выводится из аппарата, а несконденсировавшиеся газы I попадают! в каналы а и б второго пакета, охлаждаются и выводятся из аппара- J та. Охлаждающая фаза III (вода) движется по каналам одного пакета. Такие конденсаторы парогазовых смесей работают с более высоким; коэффициентом теплоотдачи, чем стандартные кожухотрубчатые ап­параты.

При соответствующей компоновке можно получить многосекци-1 онный аппарат, в котором теплообмен между одним теплоносителем! и двумя другими осуществляется в соответствующих зонах (рис. 2.58б)

Рис. 2.58. Схемы специальных пластинчатых аппаратов: а — конденсатор; б — теплообменник для трех теплоносителей

Теплообменные пластины различаются расположением в них от верстий для теплоносителей на пластины с диагональным (рис. 2.59с и односторонним (рис. 2.596) расположением отверстий. И те, и друг выполняют левыми и правыми. Благодаря чередованию в пакете лев! и правых пластин образуются две изолированные системы каналов

Рис. 2.59. 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 (рис. 2.60) 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.

Рис. 2.60. Узел крепления пластины на верхней штанге: 1 — верхняя штанга; 2 — пластины; 3 — скоба

Прокладки пластинчатых тепло­обменников (рис. 2.61) 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.

Рис. 2.61. Прокладка пластинчатого теплообменника