Устройство теплообменной аппаратуры

Трубчатые теплообменники. Кожухотрубчатые теплообменни­ ки относятся к числу наиболее распространенных аппаратов. На рис. 114 показан кожухотрубчатый теплообменник жесткой конст­рукции, который состоит из корпуса (или кожуха) "/ и приварен-

128

ных к нему трубных решеток 2 с пучком труб 3. Выступающие из корпуса части решеток являются одновременно фланцами 5, к ко­торым на прокладках и болтах 6 крепятся сферические или плос­кие днища 4. Теплообменники крепятся на лапах 7.

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред — I — движется внутри труб, в трубном пространстве, а другая — // — в межтруб­ном, омывая пучок труб снаружи. При этом нагреваемую среду направляют сни­зу вверх, а среду, отдающую теплоту,— в противоположном направлении.

Трубы в решетках обычно размещают равномерно по периметрам правильных' шестиугольников, что обеспечивает ком­пактность расположения. Иногда трубы размещают по концентрическим окруж­ностям. При необходимости обеспечения очистки наружных поверхностей труб применяется коридорное расположение — по сторонам-квадратов (рис. 117, д, е, ж).

Рис. 114. Кожухотрубчатый теплообменник: / — корпус, или кожух, 2 — трубные решетки, Я — трубы, 4 — динща, 5 — фланцы, 6 — болты, 7 — лапы

Теплообменник, изображенный на рис. 114, является одноходовым. Вслед­ствие большого суммарного проходного сечения труб и межтрубного пространст­ва скорости протекания теплоносителей невелики и коэффициенты теплоотдачи в этом теплообменнике сравнительно низ­ки. Для увеличения скорости протекания в трубном и межтрубном пространствах устанавливают перегородки, уменьшая сечения потока жидкости. На рис. 115

представлен такой многоходовой теплообменник, который имеет два . хода по трубному пространству и семь ходов по межтрубному.

Кожухотрубчатые теплообменники располагаются вертикально или горизонтально.

При больших разностях температур за счет неодинаковых тем­пературных удлинений в сварочных швах присоединения кожухов к фланцам, в местах заделки труб в решетках возникают значи­тельные напряжения, которые могут превысить предел прочности материала. Для предотвращения разрушения аппарата применя­ются конструкции, в которых пучок труб перемещается относитель­но кожуха, компенсируя температурные удлинения. Такие конст­рукции применяются при разности температур пучка труб и кожу­ха, превышающей 50° С.

Наиболее простой является конструкция теплообменника с лин­зовым компенсатором, расположенным на кожухе (рис. 116, aj, применяемом при небольших перемещениях. При большей длине

5—2063

129

труб 2 и больших перемещениях применяются теплообменники с плавающей головкой (рис. 116, б). Верхняя часть корпуса тепло­обменника этой конструкции присоединена на фланце к верхней

Рис. 115. Многоходовой кожухотрубчатый теплообменник:

/ — кожух, 2 — перегородки в межтрубном пространстве, 3 — перегородка в

трубном пространстве

Рис. 116. Теплообменник с компенсирующими устройст­вами: а — с линзовым компенсатором, б — с плавающей головкой, в — с U-образнымн трубами; / — корпус, 2 — трубы, 3 — внутреннее днище

трубной решетке. Нижняя трубная решетка, которая с нижней частью корпуса 1 непосредственно не связана, имеет самостоятель­ное днище 3, укрепленное на болтах и прокладках. Таким образом,

130             .                    • - .

пучок труб может свободно перемещаться относительно наружно­го корпуса, не вызывая, в деталях температурных напряжений.

На рис. 116, в показана конструкция теплообменника с компен­сирующим устройством в виде U-образных труб. Корпус / не свя«

Рис. 117. Способы крепления и размещения труб в трубных^ решетках:

а — развальцовка, б — развальцовка с канавками, в — сварка, г — пай­ка, д — расположение по треугольникам, е — по окружностям, ж — ко­ридорное расположение

. ")                     В)           'В)                    г)

Рис. 11&\ Теплообменник типа «труба в трубе»:

/ — внутренняя труба, 2 — наружная труба, 3 — соединительные «калачи»

зан жестко с трубами 2, и каждый элемент может удлиняться, не вызывая термических напряжений в местах присоединения..

Крепление труб в трубных решетках в зависимости от свойств применяемых материалов, давления, необходимой герметичности выполняют различными способами (рис. 117). Самый распростра­ненный способ крепления стальных труб ^развальцовка (рис. 117, а). Чисто обработанные концы труб и отверстий в трубной ре­шётке (при минимальных зазорах) специальным инструментом — развальцовкой — раскатывают изнутри, деформируют и плотно сое-

5*                                                                                                                                      131

диняют с телом трубной решетки. В случае работы конструкции при повышенном давлении и необходимости увеличения ее прочности в поверхностях отверстий трубных решеток выполняют канавки, в которые при развальцовке затекает материал трубок; образуются удерживающие пояски, показанные на рис. 117, б.

__ 1__ L Ь»5Г//

В некоторых случаях, если позволяют свойства материалов, тру­бы соединяют с трубной решеткой сваркой (рис. 117, в) или пайкой (рис. 117, г). Иногда трубы крепят с по­мощью разъемных сальниковых .уст­ройств, позволяющих при необходимости легко их заменять.

Стальные кожухотрубчатые теплооб­менники стандартизованы по ГОСТу.

//

Рис. 119. Теплообменник с двойными

трубами:

/ — кожух, 2, 4 — трубные решетки, 3 — на­ружные трубы, б '— внутренние трубы

Рис. 120. Змеевиковый теп­лообменник:

/ — кожух, 2 — внутренний ста­кан, 3 — змеевик

Теплообменник типа «труба в трубе» (рис. 118) представляет собой несколько прямолинейных отрезков труб 1, каждый из кото­рых заключен в трубу 2 большего диаметра. Внутренние трубы 1 соединены между собой последовательно «калачами» 3, наруж­ные— патрубками с фланцами. Отдельные элементы теплообмен­ника собираются в вертикальные секции.

Благодаря малым сечениям внутренней трубы и кольцевого за­зора даже при небольших расходах теплоносителей достигаются высокие скорости потока жидкости— 1—2,5 км/с. Это обеспечивает высокие коэффициенты теплоотдачи. Однако теплообменники типа «труба в трубе» громоздки и более металлоемки, чем кожухотруб­чатые. Эти теплообменники стандартизованы.

Теплообменники с двойными трубами (рис. 119) состоят из ко­жуха 1, к фланцам которого прикреплена трубная решетка 2 с ук­репленными на ней трубами 3, противоположные концы которых заварены. Внутрь каждой трубы введена труба меньшего диаметра 5, концы которой укреплены на второй трубной решетке 4. Тепло­носитель / подается в пучок труб меньшего диаметра, поступает в кольцевые зазоры между, трубами и удаляется через штуцер между трубными решетками. Теплоноситель // поступает в корпус и омы-

132

вает трубы большего диаметра снаружи. В теплообменниках этого типа трубы могут удлиняться независимо от корпуса теплообмен­ника.

Змеевиковые теплообменники (рис. 120) изготавливаются из труб 3, свернутых в спирали и заключенных в кожух /. Для увели­чения скорости потока среды, омывающей наружную поверхность змеевика, в некоторых конструкциях предусмотрен внутренний ста­кан 2. Теплообменники этого типа имеют неболь­шую поверхность, поэто­му их используют при от­носительно малых тепло­вых нагрузках.

Рис. 12 2 — листы

. Спиральный теплообменник: спирали, 3 — перегородка, 4 — левая

.крышка, 5 — правая крышка

Спиральные теплооб­
менники. В спиральном
теплообменнике (рис. 121)
поверхность теплообмена
образуется двумя метал­
лическими листами 1 я 2,
свернутыми по спирали.
Внутренние концы лис­
тов приварены к глухой
перегородке 3, а их на­
ружные концы сварены
друг с другом. С торцов
спирали закрыты установленными на прокладках крышками 4 и 5.
Таким образом, внутри аппарата образуются два изолированных
спиральных канала шириной 4^-8 мм, по которым противотоком
движутся теплоносители. Теплоноситель / входит в нижний штуцер
и удаляется через левый боковой штуцер, а теплоноситель'// по­
ступает в правый боковой штуцер и отводится через верхний шту­
цер.       •

Эти теплообменники компактны, имеют малое гидравлическое сопротивление, но не могут работать при больших избыточных дав­лениях.

Пластинчатые теплообменники нашли широкое применение для охлаждения и подогрева различных жидкостей, паров и газов с ра­бочими средами, содержащими твердые взвеси, высоковязких жид­костей с рабочими температурами до 300° С при давлениях до 1,6 МПа.

В пластинчатом теплообменнике (рис, 122) поверхность тепло­обмена образуется гофрированными параллельными пластинами /, 3, 4, 5, 6. Пластины стянуты зажимами между головными плита­ми А и Б, между пластинами расположены резиновые прокладки. Пространство между пластинами представляет собой систему узких каналов шириной 3—6 мм с волнистыми стенками. Жидкости, обме­нивающиеся теплотой, движутся в каналах между смежны-ми плас­тинами, омывая противоположные боковые стороны каждой пласти­ны. Горячая жидкость /, поступающая в верхний штуцер справа,

133

заполняет пространство между пластинами 5—6 и 3—4 и уходит через нижний штуцер слева. Жидкость // поступает в нижний шту­цер слева, входит в пространство между пластинами /—3 и 4—5 и выходит через верхний штуцер справа.

 

Рис. 123. Пластинчатый теплообменник:

А, Б — головные плиты; 1, 3, 4, 5, 6 — гофрированные пластины с отверстиями; 2 — прокладки между пластинами 1—3, 4—5; 7 — прокладки между пластинами

3—4, 5—6

Вследствие высоких скоростей движения жидкости между плас­тинами достигается высокое значение коэффициента теплопередачи при малом гидравлическом сопротивлении.

Выпускаются различные модификации теплообменников этого типа с пластинами из сталей различных марок, алюминия, ти­тана, мельхиора и других металлов, разбор­ной и неразборной конструкции с поверхно­стями теплообмена от 0,4 до 600 м².

123. Аппарат рубашкой: / — корпус, 2 — рубашка

Теплообменные устройства. Для обогре­ва и охлаждения реакционных и других ап­паратов применяют различные устройства, в которых поверхность теплообмена образу­ется стенками самого аппарата. К числу та­ких широка распространенных устройств от­носятся рубашки (рис. 123). Корпуб аппа­рата' 1 заключен в рубашку 2, прикрепляе­мую к аппарату на фланцах или сваркой. В полость между аппаратом и рубашкой по­дается теплоноситель. Если аппарат охлаж­дается, теплоноситель вводится в нижнюю часть и удаляется из верхней части аппарата. При нагревании паром ввод осуществля­ется в верхние штуцера, а конденсат удаляется из нижней части. • Поверхность теплообмена в этом случае ограничивается разме­рами ■ аппарата, а применяемые   давления не превышают 0,6—

134

1,0 МПа, так как при более высоких давлениях чрезмерно возраста­
ет толщина стенок рубашки.                                               -

Оребренные теплообменники. В тех случаях, когда одна из теп-лопередающих сред имеет низкий коэффициент теплоотдачи (газы, сильно вязкие жидкости), производят оребрение поверхности тепло­обмена со стороны этой среды. Этим достигают интенсификации теп­лообмена за счет увеличения поверхности.

а). Воздух S )   ,/ jap

Рис' 124. Оребренный холодиль- Рис. 1©5. Барометрический конденса-
ник:                                           тор:

а — элемент трубы с оребреннем, б — а — с сегментными полками, б — с кольце-
, калорифер                      вымн полками; / — корпус, 2 — полкн, 3 —

барометрическая труба, 4 — барометриче­ский ящик (сосуд)

На рис. 124, а показана труба, на наружной поверхности кото­рой выполнены ребра, увеличивающие поверхность соприкосновения с омывающим газом. Такие конструкции, собранные из секций'ореб-ренных труб, широко применяются для нагрева воздуха и других газов и носят название калориферов (рис. 124, б). Греющий тепло­носитель — водяной пар — поступает в трубы калорифера, а воздух прогоняется вентилятором вдоль ребер перпендикулярно трубам.

Воздушные холодильники. Эти аппараты состоят из секций труб из углеродистой, легированной стали или "латуни и вентилятора, обдувающего наружную поверхность труб. В настоящее время аппа­раты воздушного охлаждения выпускаются серийно и применяются для конденсации и охлаждения парообразных, газообразных и жид­ких сред с температурами до 300° С и давлением до 6,4 МПа; При­меняются в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и газовой промышленности.

Барометрический конденсатор. В тех случаях, когда необходима конденсация малоценных отбросных паров (обычно водяного пара при.низком давлении), применяют барометрические конденсаторы.

Конденсатор (рис. 125, а) состоит из корпуса 1, имеющего внут­ри сегментные полки 2. Нижний штуцер аппарата присоединен к

,135

барометрической трубе 3, нижний конец которой погружен в сосуд 4, заполненный водой. Охлаждающая вода поступает в верхнюю часть аппарата, сливается с полки на'полку, образуя завесу из (ка­пель, брызг и струй. Отбросный пар подается в нижнюю часть кор­пуса, поднимаясь вверх, соприкасается со стекающей водой и кон­денсируется.

' Вода, смешанная с конденсатом, удаляется через барометриче­скую трубу, образующую барометрический затвор, а несконденсиро-вавшиеся газы отсасываются из верхней части аппарата вакуумным насосом.

. Это устройство обеспечивает раздельное удаление жидкости и неСконденсировавшихся газов из аппаратов, работающих под ваку­умом, и относится к числу сухих конденсаторов. Кроме сегментных полок применяются также кольцевые полки (рис. 125, б). Реже используются мокрые конденсаторы, обеспечивающие совместную откачку жидкости и паров насосом..

Вопросы для повторения. 1. Какими соображениями необходимо руководст­воваться при выборе теплоносителя? 2. Какими преимуществами обладает водя­ной пар как теплоноситель и как он применяется? 3. В чем преимущества и не­достатки нагревания с помощью дымовых газов? 4. Какие высокотемпературные теплоносители вам известны? 5. Какими способами осуществляется нагрев с по« мощью электрического тока?' 6. Какие охлаждающие агенты применяются для охлаждения до обыкновенных температур? Каковы их характеристики? 7. Какие конструкции трубчатых теплообменников вам известны? 8. Как устроены и для чего предназначены калориферы? 9. Где применяются, барометрические конден­саторы? Как оии устроены?

ГЛАВА 111. ВЫПАРИВАНИЕ

Общие сведения

Выпариванием называют процесс концентрирования жидких рас­творов нелетучих веществ путем частичного удаления растворите­ля при кипении жидкости. В процессе выпаривания парообразова­ние (кипение) происходит в объеме выпариваемой жидкости за счет подвода тепловой энергии. В химической и других отраслях промышленности выпариванию подвергают главным образом вод­ные растворы.

Выпаривание широко применяют для концентрирования водных растворов щелочей (едкий натр, едкое кали), солей (NaCl, Na2SO.t, . NH4NO3 и др.) и некоторых высококипящих жидкостей. Выпарива­ние применяют также для получения растворителя в чистом виде, например для опреснения морской воды, однако этот способ доволь­но дорог и в настоящее время заменяется другими, более дешёвыми, например разделением с помощью полупроницаемых мембран.

Для превращения воды в водяной пар расходуется- в 2—3 раза больше тепловой энергии, чем при выпаривании органических рас­творов (для воды теплота парообразования г=2260 кДж/кг при р = 0,1 мПа). При больших количествах упариваемых растворов об-

136

щая затрата тепловой энергии бывает очень велика и это вызывает необходимость изыскивать способы ее экономного расходования.

В ряде случаев выпаренный раствор подвергают последующей кристаллизации (см. гл. 12) для получения солей в твердом виде. В таком состоянии их легче хранить, транспортировать и использо­вать.

Теплота для выпаривания подводится различными теплоносите­лями, но в основном для этой цели используют глухой водяной пар, который в этом случае называют греющим или первичным. Пар, образующийся при выпаривании растворов, называется вторичным. Процесс выпаривания проводят под вакуумом, при атмосферном или при повышенном давлении.

При выпаривании под вакуумом можно проводить процесс при более низких температурах, что очень важно для растворов веществ, склонных к разложению. Кроме того, при использовании греющего пара тех же параметров, что и при выпаривании под атмосферным давлением, увеличивается полезная разность температур (движу­щая сила процесса). Это позволяет уменьшить поверхность нагрева в аппарате.или сокращает время процесса. Хотя выпаривание под вакуумом требует дополнительного оборудования (вакуум-насос, конденсатор и пр.) и расход теплоты на испарение несколько воз­растает, тем не менее этрт способ широко.применяют для концент­рирования высококипящих и легко разлагающихся растворов.

При проведении процесса под атмосферным давлением вторич­ный пар, как правило, не используется и выбрасывается в атмо­сферу.

При выпаривании под повышенным давлением возможно исполь­зование вторичного пара как для выпаривания в других корпусах с меньшим давлением, так и для других теплотехнических целей. В этом случае пар, отбираемый на сторону, называется экстрапа­ ром. Выпаривание при атмосферном давлении, а иногда и под ваку­умом производят в одиночных выпарных однокорпусных аппаратах.

Для экономии греющего пара широко применяют многокорпус­ные выпарные установки, состоящие из нескольких выпарных аппа­ратов, или корпусов, в которых вторичный пар каждого предыду­щего корпуса используется в качестве греющего в последующем. При этом давление в последовательно соединенных корпусах снижается таким образом, чтобы обеспечить достаточную разность температур между кипящим раствором и греющим паром в каждом корпусе. В многокорпусных установках свежий греющий пар пода­ется только в первый корпус. Все последующие корпусы использу­ют вторичный пар, в результате чего достигается значительная эко­номия пара.

При выпаривании крупнотоннажных продуктов применяют мно­гокорпусные установки непрерывного действия. Аппараты и уста­новки периодического действия используются лишь в производствах малого масштаба или для упаривания растворов до высоких конеч­ных концентраций.

137

Современные выпарные установки большой производительности расходуют значительные количества пара, являясь крупными потре­бителями тепловой энергии. Высокая производительность устано­вок обеспечивается сильно развитой поверхностью нагрева, достига­ющей 2000—2500 м² в единичном аппарате.

⇐ Предыдущая23242526272829303132Следующая ⇒

Поделиться: