+7(499)322-81-32
Показать меню
Скрыть меню

Поверхностные

Поверхностные теплообменники

Рисунок ПТ-1 показывает группы поверхностных (рекуперативных) теплообменных аппаратов в зависимости от их конструкции.

Поверхностные

Рисунок ПТ-1. Классификация рекуперативных теплообменных аппаратов в зависимости от конструкции.

Одноходовые кожухотрубчатые теплообменники

Кожухотрубчатые теплообменники имеют множество модификаций.

На рисунке ПТ-2 А) показан самый простой аппарат – одноходовой кожухотрубчатый теплообменник.

Предполагается, что Т1вх ≥ Т2вх.

Теплагент 1 подаётся в межтрубное пространство, ограниченное трубными решётками.

Сегментные перегородки препятствуют прямому движению теплагента 1 в кожухе, который также является трубой, ограниченной трубными решётками. Турбулизация потока теплагента 1 способствует лучшему теплообмену между теплагентами 1 и 2.

Теплагент 2 подаётся в пространство между крышкой и трубной решёткой, на рисунке показана схема, в которой подача теплагента 2 осуществляется снизу. Затем он движется по трубам, размещённым внутри кожуха и попадает в пространство между верхней трубной решёткой и верхней крышкой. Почему снизу? Это связано с тем, что теплагент 2 в ходе принудительного движения и, соответственно, принудительной конвекции, нагревается, поэтому естественная конвекция по направлению будет совпадать с принудительной.

Точно также горячий теплагент 1 лучше подавать сверху, тогда естественная конвекция также совпадёт с принудительной.

В реальности совпадением направлений естественной и принудительной конвекций часто пренебрегают, т.к. многоходовые, U – образные теплообменники не всегда позволяют обеспечить этот принцип. К тому же теплообменники часто располагают горизонтально.

Поверхностные

Рисунок ПТ-2. Одноходовой кожухотрубчатый теплообменник.

Отсюда через патрубок он отправляется в систему, обеспечивающую циркуляцию теплагента 2. В основном (за исключением участков ввода и отбора теплагента 1) потоки теплагентов 1 и 2 движутся «почти» параллельно, но в противоположных направлениях.

Агент 1, пройдя в кожухе между сегментными перегородками и трубами, отправится в свою систему циркуляции.

Обе системы циркуляции предполагают, что агенты могут быть повторно нагреты или охлаждены, а также извлечены из контура циркуляции в связи приобретением ими требуемой температуры.

Между теплагентами 1 и 2 происходит теплообмен. На рисунке приведён пример, когда начальная температура теплагента 1 (синяя стрелка) ниже начальной температуры теплагента 2 (красная стрелка). На выходе из теплообменника температура теплагента 1 станет выше, а теплагента 2 – ниже (жёлтые стрелки). Это не означает, что температуры двух теплагентов станут равными. Температура каждого определяется параметрами, определёнными особенностями технологического процесса. Можно лишь утверждать, что на выходе из теплообменника Т1вых ≥ Т2вых, если на входе Т1вх ≥ Т2вх. Следствие второго закона термодинамики.

Реальные аппаратные реализации процесса теплообмена могут несколько отличаться от классического одноходового кожухотрубчатого теплообменника.

Это связано с тем, что:

На рисунке ПТ-2, Б) приведены часто используемые способы размещения отверстий для закрепления труб в трубных решётках – на концентрических окружностях, на рёбрах прямоугольников, на рёбрах равносторонних треугольников.

При проектировании теплообменника основной задачей является обеспечение эффективного теплообмена, приемлемых значений гидравлического сопротивления течениям агентов и габаритных размеров устройства.

Для герметичного соединения труб с трубной решёткой и предотвращения тем самым смешивания тепловых агентов используются:

Шире всего применяется развальцовка, сварку применяют при больших давлениях теплоносителя или в случае, если материал труб недостаточно пластичен для выполнения развальцовки. Пайка позволяет заменять трубы при ремонте. Сальниковые соединения заметно упрощают разборку теплообменника при его чистке и ремонте, а также могут служить способом компенсации неравномерных температурных деформации конструкционных элементов устройства. В целом сальниковые уплотнения сложнее, дороже и менее надёжны.

Многоходовые кожухотрубчатые теплообменники

Если теплоноситель подаётся сразу во все трубы и проходит в объёме теплообменника один раз от входного до выходного патрубков, то он называется одноходовым. Такая конструкция часто может не обеспечивать требуемый объем теплообмена, особенно при низком расходе теплоносителей.

Для увеличения времени теплообмена теплоноситель направляют в одну часть труб, а когда он проходит – другую. Тогда теплоноситель совершает в теплообменнике «несколько» ходов.

При этом сечение потока теплоносителя уменьшается, а скорость возрастает. Такой теплообменник носит название многоходового по трубному пространству.

На рисунке ПТ-3 А) представлен двухходовый (по трубному пространству) и четырёхходовой, ПТ-3 Б) кожухотрубчатые теплообменники.

Поверхностные

Рисунок ПТ-3. Двухходовый (по трубному пространству) и четырёхходовой кожухотрубчатые теплообменники.

Увеличение скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах теплообменника приводит к росту гидравлического сопротивления. Кроме того, в многоходовых теплообменниках неизбежно возникновение смешанных токов, в отличие от одноходовых, где можно обеспечить противоток. Смешанные токи уменьшают движущую силу процесса передачи тепла.

Многоходовые теплообменники не используются в случае, если фазовое состояние агента, движущегося по трубам, изменяется в ходе теплообмена. Газообразная фаза поднимается вверх, образующаяся при конденсации жидкость стекает вниз. Они не смогут преодолеть изменение направления движения, неизбежно возникающего при использовании многоходового теплообменника.

Компенсация температурных деформаций

Элементы конструкции теплообменника контактируют с агентами, нагретыми до разных температур. Более того, агенты имеют разную температуру в разных частях теплообменника.

Если разница температур между кожухом и трубами составляет более 50о К, то кожух и трубы изменяют длину неравномерно, особенно в случае использования для труб и кожуха разных материалов. Это вызывает значительные напряжения на трубных решётках, может привести к разрушению конструкций и нарушению герметичности различных стыков.

При наличии существенных перепадов температур в теплообменниках с большой длиной труб применяют нежёсткие конструкции, допускающие изменение длины труб внутри устройства и (или) изменение длины кожуха без возникновения механических напряжений.

Компенсация тепловых расширений возможна за счёт:

Поверхностные

Рисунок ПТ-4. Конструкции теплообменников, применяемые для компенсации тепловых деформаций.

Сальниковый уплотнитель показан на рисунке ПТ-4, А), теплообменник с линзовым компенсатором – на рисунке ПТ-4, Б), использование U – образных труб – на рисунке ПТ-4 В), Д), теплообменник с «плавающей головкой – на рисунке ПТ-4, Г).

Сальниковые соединения применимы не со всеми типами агентов, кроме того, они всегда потенциально создают проблему потери герметичности соединений.

Линзовый компенсатор заметно ослабляет прочность кожуха. Поэтому его используют в теплообменниках с избыточным давлением, не превышающем 0,5 МПа и деформациях до 10 – 15 мм.

Использование U – образных труб устраняет проблему температурных напряжений. Но возникают проблемы, связанные с более сложным изготовлением и очисткой изогнутых труб, особенно изнутри.

Если выполнить одну из трубных решёток и крышку над ней так, чтобы они не были жёстко связаны с кожухом теплообменника, то проблема тепловых деформаций также будет решена. При этом профилактические работы выполнять проще. Стоимость изготовления теплообменника с «плавающей» головкой несколько больше, чем U ‑ образного.

Теплообменники с U – образными трубами и с «плавающей головкой» (также, как и многоходовые теплообменники) не могут работать в режиме, когда в теплообменнике происходит фазовый переход теплоносителя.

В этом случае используются теплообменники с паровым пространством, рисунок ПТ-5, А) – теплообменник с U ‑ образными трубами, ПТ-5, Б) – теплообменник с «плавающей» головкой, ПТ-5, В) – внешний вид.

Поверхностные

Рисунок ПТ-5. Теплообменники с паровым пространством.

Достоинства и недостатки кожухотрубчатых теплообменников

Преимущества

Недостатки

  • Большая площадь поверхности теплопередачи при относительно небольших габаритах аппарата.
  • Простота изготовления.
  • Сравнительно небольшой расход материалов на аппарат.
  • Надёжность при эксплуатации.
  • Возможность работы с большими давлениями.
  • Невозможность использования при низких расходах теплоносителей.
  • Трудности изготовления из материалов, не допускающих развальцовку и сварку.
  • Сложность профилактики и ремонта.

Элементные (секционные) теплообменники

Секционные теплообменники состоят из нескольких последовательно соединённых одноходовых кожухотрубчатых теплообменников, рисунок ПТ-6.

Использование одноходовых теплообменников и отказ от сегментных перегородок позволяет снизить гидравлическое сопротивление и повысить скорость потоков в трубах и в межтрубном пространстве.

Благодаря меньшему диаметру труб и кожуха такие теплообменники могут работать под более высоким давлением.

Сегментные теплообменники более ресурсоёмки и требуют большего пространства для монтажа, нежели кожухотрубчатые.

Поверхностные

Рисунок ПТ-6. Элементные (секционные) теплообменники

Достоинства и недостатки элементных теплообменников

Преимущества

Недостатки

  • Высокая скорость движения теплоносителей и меньшее гидравлическое сопротивление.
  • Простота изготовления.
  • Сравнительно небольшой расход материалов на аппарат.
  • Надёжность при эксплуатации.
  • Возможность работы с большими давлениями.
  • Большие габаритные размеры, чем у кожухотрубчатых теплообменников.
  • Более высокая стоимость изготовления, чем у кожухотрубчатых.

Двухтрубчатые теплообменники

Двухтрубчатый теплообменник – теплообменник типа «труба в трубе». Это элементный (секционный) теплообменник, у которого в кожухе секции устанавливается всего одна труба соосно трубе, образующей кожух.

Такие теплообменники применяются при тепловых нагрузках, требующих поверхность теплообмена до 30 м2.

Пример двухтрубчатого теплообменника показан на рисунке ПТ-7.

Поверхностные

Рисунок ПТ-7. Двухтрубчатый секционный теплообменник (ТД «Пензенский Завод Нефтегазового Оборудования»).

Теплообменники «труба в трубе» бывают различных видов:

Неразборные (рисунок ПТ-7) изготовляется сваркой труб. Длина трубы (элемента), как правило, от 3 до 6 м. Диаметр внутренней трубы 57 – 108 мм, наружной 76 – 159 мм. Теплообменники могут иметь один ход, или несколько. Обычно число ходов – чётное.

Очистка таких теплообменников затруднена. После загрязнения труб жизненный цикл теплообменника завершается, он отправляется в переработку.

Разборные теплообменники сложнее и, соответственно, дороже. При использовании сальниковых уплотнений их можно полностью разобрать, очистить и отремонтировать. При использовании сварных соединений возможна блочная замена элементов теплообменника.

Однопоточные разборные теплообменники малого диаметра (наружная труба менее 57 мм) имеет наружную камеру для наружного теплоносителя, разделённую на две части радиальной продольной перегородкой.

При большем наружном диаметре теплообменник обычно выполняется без распределительной камеры, а патрубки (штуцеры) привариваются непосредственно к внешней трубе.

Достоинства и недостатки двухтрубчатых теплообменников

Преимущества

Недостатки

  • Высокая скорость движения теплоносителей и, как следствие, высокий коэффициент теплопередачи.
  • Возможность работы с небольшим расходом теплоносителей.
  • Возможность работы с большими давлениями.
  • Относительно небольшие поверхности теплопередачи при больших габаритах устройства.
  • Большой расход материалов на изготовление.
  • Профилактика и ремонт неразборных двухтрубчатых теплообменников затруднены.

Оросительные теплообменники

Оросительные теплообменники применяют в основном для охлаждения жидких и газовых агентов, а также для конденсации паров.

Оросительный теплообменник – это змеевик, по которым протекает охлаждаемый агент, и система орошения, состоящей из равномерно распределяющего воду верхнего желоба и корыто, в котором собирается неиспарившееся вода, рисунок ПТ-8.

Вода стекает по поверхностям труб змеевика и отбирает тепло у охлаждаемого агента, частично испаряясь.

Испарение воды ускоряет процесс теплообмена, общий расход воды в оросительных теплообменниках ниже, чем холодильных устройствах других типов. Но при этом наблюдаются необратимые потери воды и увлажнение окружающей среды. Поэтому обычно оросительные теплообменники устанавливают на открытом воздухе. При установке в помещениях требуются ограждающие кожухи и система принудительного удаления влажного воздуха.

Поверхностные

Рисунок ПТ-8. Оросительный теплообменник.

Достоинства и недостатки оросительных теплообменников

Преимущества

Недостатки

  • Простота изготовления и низкая стоимость.
  • Простота очистки наружных поверхностей труб.
  • Интенсивный теплообмен за счёт частичного испарения воды.
  • Меньший расход воды по сравнению с холодильниками других типов.
  • Безвозвратные потери технологической воды за счёт испарения.
  • Большие габаритные размеры и необходимость выделения значительных ограждённых площадей при использовании внутри помещений.
  • Неравномерность смачивания труб и снижение вследствие этого интенсивности теплообмена.

Погружные теплообменники

Погружной теплообменник состоит из сосуда с жидким агентом 1 и змеевика, по которому циркулирует агент 2, рисунок ПТ-9, А).

Скорость движения агента 1 в сосуде теплообменника мала, вследствие большого объёма аппарата и малого значения площади теплообмена змеевика. Иначе говоря, нагревающий агент 2 уходит из теплообменника «горячим». В некоторых случаях в аппарате устанавливается направляющий стакан, за счёт которого в нагреваемой жидкости создаётся упорядоченное течение, что приводит к лучшему теплообмену между агентами. Жидкость может вовлекаться в движение за счёт естественной конвекции, или принудительно, за счёт мешалки, как показано на рисунке ПТ-9, А). Естественно, использование мешалки означает дополнительный расход энергии.

Поверхностные

Рисунок ПТ-9. Типы погружных теплообменников и элементы их конструкций.

Змеевик можно закрепить на крышке аппарата. Это позволяет при проведении профилактических и ремонтных работ получать к нему относительно удобный доступ.

Для повышения эффективности обогрева змеевик может быть выполнен в «несколько слоёв».

В некоторых случаях, при сложностях в изготовлении спиральных змеевиков, внутри аппарата укладывается змеевик из прямых труб, соединённых «калачами», рисунок ПТ-9, Б).

Достоинства и недостатки погружных теплообменников

Преимущества

Недостатки

  • Простота изготовления и низкая стоимость.
  • Доступность поверхностей для чистки.
  • Возможность использовать теплоноситель большого давления внутри змеевика.
  • Высокий коэффициент теплопередачи внутри змеевика за счёт большой скорости движения агента в трубе змеевика.
  • Небольшая поверхность теплоотдачи (менее 15 м2).
  • Трудность очистки внутренней поверхности змеевика.
  • Низкий коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности змеевика.

Теплообменники с наружными змеевиками

Достаточно широко используются теплообменники с наружными змеевиками, рисунок ПТ-9, В. К стенкам устройств, обычно – химических реакторов снаружи привариваются змеевики цилиндрической, полуцилиндрической или угловой формы, рисунок ПТ-9, Г), Д), Е).

К работе на высоких давлениях (например, с использованием перегретой воды при 25 МПа) наиболее приспособлен змеевик из цельной трубы, т.е. змеевик, имеющий цилиндрическое сечение рабочего потока, рисунок ПТ-9, Г). Труба змеевика крепится к корпусу аппарата многослойным сварным швом.

Наиболее сложная конструкция – аппарат, внутри стенок которого «проложен змеевик, рисунок ПТ-9, Ж). Это наиболее сложная, но и наиболее надёжная конструкция.

Так выполняются, кстати, камеры сгорания и сопла жидкостных ракетных двигателей. Во внутренний змеевик подаётся, окислитель – жидкий кислород. Окислитель забирает тепло от материала камеры сгорания, которое ему передаётся раскалённым газом, образующимся внутри камеры при работе двигателя. Кислород охлаждает материал камеры, спасая её от прогорания в течение тех нескольких минут, которые двигатель должен проработать. Перейдя в газообразное фазовое состояние кислород попадает в камеру сгорания, где и взаимодействует с топливом в процессе горения.

Достоинства и недостатки теплообменников с наружным змеевиком

Преимущества

Недостатки

  • Возможность использовать внутри змеевика агент под высоким давлением.
  • Простота устройства и надёжность.
  • Возможность разбить змеевик на секции и за счёт управляемой подачи агента регулировать нагрев или охлаждение.
  • Высокий коэффициент теплопередачи внутри змеевика за счёт большой скорости движения агента в трубе змеевика.
  • Небольшая поверхность теплоотдачи (менее 15 м2).
  • Трудность очистки внутренней поверхности змеевика.
  • Низкий коэффициент теплоотдачи с внутренней поверхности корпуса аппарата.

Оребрённые теплообменники

Рассмотрим взаимодействие двух агентов с существенно разными коэффициентами теплопередачи – высоким, Ктпв, и низким, Ктпн, через плоскую мембрану площади S, которая изготовлена из материала с высоким коэффициентом теплопередачи.

Если мембрана будет плоской, то объем переданного тепла через мембрану будет ограничиваться её площадью и свойствами агента с низким коэффициентом Ктпн.

Так, например, при нагреве воздуха конденсирующимся водяным паром коэффициент теплопередачи от пара к стенке (мембране) составляет от 10 000 до 15 000 Вт/(м2К), от стенки к нагреваемому воздуху - от 10 до 15 Вт/(м2К).

Для увеличения количества переданного тепла со стороны агента с Ктпн необходимо принять меры, которые обеспечат передачу тепла этому агенту, например, создать искусственную конвекцию или, учитывая, что материал мембраны обладает высокой теплопроводностью, увеличить площадь контакта агента, характеризуемого Ктпн, с мембраной за счёт увеличения площади мембраны со стороны агента с низкой теплопроводностью. Как это сделать? Сделать это возможно за счёт оребрения плоской мембраны со стороны агента с низкой теплопроводностью, рисунок ПТ-10.

Поверхностные

Рисунок ПТ-10. Оребрение поверхности теплообмена.

Оребрение используют при нагреве и охлаждении газов и жидкостей с большой вязкостью.

Для снижения гидравлического сопротивления поверхности рёбер должны быть в основном параллельны направлению движения потока теплоносителя с Ктпн.

Наиболее часто ребра имеют прямоугольное и трапециевидное сечение, рисунок ПТ-10, А) и Б), соответственно.

Для теплообменников используются оребрённые трубы, рисунок ПТ-11.

Поверхностные

Рисунок ПТ-11. Поперечное и продольное оребрение труб.

На рисунке ПТ-11, Б) представлен пластинчатый калорифер, который часто используется для нагрева воздуха. Проходя через калорифер и соприкасаясь с нагретыми пластинами воздух также нагревается, его плотность уменьшается, и он поднимается вверх. На его место поступает холодный воздух. По этому принципу работают системы парового отопления жилья, использующие оребрённые воздушные калориферы с той или иной формой рёбер. Поверхность теплообмена в таких конструкциях со стороны воздушной среды достаточно велика.

Если целью теплообмена являет охлаждение жидкого агента, используются системы теплообмена с принудительным увеличением скорости потока воздуха. Примером может служить автомобильный радиатор. Поперечно оребрённые трубы с охлаждающей жидкостью, протекающей по ним, обдуваются потоком набегающего воздуха. Если унос тепла от охлаждающей жидкости двигателя оказывается при этом недостаточным, то включается вентилятор, увеличивающий скорость воздушного потока и, тем самым – перенос тепла от жидкой среды к газовой.

Мощные промышленные воздушные охладители без смешения обменивающихся теплом сред устроены по тому же принципу.

Достоинства и недостатки оребрённых теплообменников

Преимущества

Недостатки

  • Возможность работы со сложными, сточки зрения процессов теплообмена, агентами – воздухом и средами большой вязкости.
  • Большая поверхность теплоотдачи со стороны воздуха или вязких сред.
  • Использование в качестве хладагента воздуха позволяет удешевить технологический процесс, по сравнению с использованием других хладагентов.
  • Высокий коэффициент теплопередачи внутри змеевика за счёт большой скорости движения агента в трубе змеевика.
  • Для изготовления оребрений требуются материалы с большой теплопроводностью, более дорогие, чем сталь (алюминий, медь).
  • Большие габаритные размеры, чем у функционально эквивалентных холодильников, использующих воду.

Графитовые блочные теплообменники

В некотором смысле выделение подкласса графитовых блочных теплообменников нарушает классификацию, т.к. этот подкласс выделен не по конструкции поверхностей, через которые осуществляется теплообмен, а по используемому материалу.

При производстве агрессивных соединений, например, соляной или серной кислот, необходимо осуществлять теплообмен с агрессивными средами.

Стали и другие металлы быстро разрушаются в таких средах, заодно загрязняя их.

В прошлом использовались керамические ТА, но керамика отличается низкой теплопроводностью.

Графит инертен к воздействию кислот практически любой концентрации. Сейчас в химической промышленности широко используются теплообменники из графита.

Сейчас используются блочные и пластинчатые графитовые теплообменники.

На рисунке ПТ‑12 представлен графитовый блочный теплообменник.

Поверхностные

Рисунок ПТ-12. Графитовый блочный теплообменник.

Схематически блочный графитовый теплообменник устроен следующим образом, рисунок ПТ-13.

Поверхностные

Рисунок ПТ-13. Устройство блочного теплообменника.

В блоке графита в параллельных плоскостях, но на разной высоте перпендикулярно друг другу прокладываются каналы, по которым движутся хладагент и теплагент. Высокая теплопроводность графита обеспечивает обмен тепла между агентами.

Графитовые теплообменники позволяют работать с агрессивными средами, такими как:

Если говорить у классификации по материалу, из которого изготовлен теплообменник, то следует упомянуть фторопластовые (в ряде случаев превосходят графитовые), стеклянные, фарфоровые. титановые теплообменники, использование которых требуется при организации теплообмена специальных сред.

Особое внимание следует обратить на химическую стойкость фторопласта. По стойкости фторопласт превосходит благородные металлы, эмали и специальные стали.

Достоинства и недостатки блочных теплообменников

Преимущества

Недостатки

  • Химическая стойкость материала теплообменника позволяет использовать его для работы с агрессивными агентами.
  • Высокая теплопроводность графита (90 – 116 Вт / (м К) уменьшает влияние толщины стенок между каналами на скорость теплообмена.
  • Габариты блочных теплообменников больше, чем у кожухотрубчатых и пластинчатых теплообменников со сравнимыми площадями теплообмена.
  • Большая стоимость делает применение блочных теплообменников целесообразным только при работе со специфическими агентами.

Пластинчатые теплообменники

Пластинчатые теплообменники относятся к группе теплообменников с плоской поверхностью теплопередачи. Теплопередача осуществляется через гофрированные пластины, установленные параллельно. Пластины устанавливаются в раму и стягиваются в пакет. Все пластины имеют одинаковый размер и форму, но при сборке пакета каждая следующая разворачивается на 180 по отношению к предыдущей.

В результате каждый теплоноситель течёт по системе узких (3 – 6 мм) волнистых каналов, рисунок ПТ-14.

Поверхностные

Рисунок ПТ-14. Система каналов на пластинах сборного теплообменника.

Каналы для теплоносителей последовательно чередуются, т.е. канал для холодного теплоносителя следует за каналом для горячего. Теплообмен происходит через стенку, разделяющую каналы.

Холодный и горячий теплоносители движутся в противотоке. В местах возможного смешивания находятся уплотнители, изготовленные из соответствующих материалов (резина, полимеры, металл, исключающие смешение агентов.

Использование уплотнителей позволяет изготавливать разборные уплотнители. Между гофрированными пластинами устанавливаются прокладки. Пакет из прокладок и пластин «нанизывается» на направляющие стержни и сжимается между двумя плитами, в которых предусмотрены штуцеры для подачи теплоносителей.

В гофрированных пластинах предусмотрены отверстия, которые обеспечивают проток теплоносителей между парами пластин в противотоке.

Разборные теплообменники (рисунок ПТ 14) можно разобрать для прочистки. Но разборные теплообменники не подходят для работы на высоких давлениях и с агрессивными жидкостями, если возникают проблемы с надёжными стойкими прокладками.

Поэтому в ряде случаев приходится жертвовать ремонтопригодностью ради надёжности и выполнять теплообменные камеры с помощью сварки или пайки.

Существуют также полуразборные теплообменники, когда свариваются смежные пластины, образующие камеру для одного из теплагентов. Агент, протекающий в сварных камерах может иметь более высокое давление, но чистка его русла протекания. Затруднена.

Русло другого агента может быть разобрано для чистки, но рабочее давление ограничено.

Важным преимуществом пластинчатых теплообменников является возможность реализации различных схем компоновки пластин в пакеты, образующих систему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется в одном направлении. В этом смысле пакет аналогичен одному «ходу» агента по трубам в многоходовом кожухотрубчатом теплообменнике. Примеры вариантов схем компоновки приведены на рисунке ПТ-15.

Поверхностные

Рисунок ПТ-15. Варианты схем компоновки пакетов для обеспечения различного сочетания «ходов» агентов.

При заданном расходе теплоносителя увеличение числа пакетов приводит к увеличению скоростей теплоносителя и теплообмена, росту гидравлического сопротивления.

Схему компоновки теплообменника можно задать дробью, в числителе которой стоит число слагаемых, соответствующее количеству пакетов для горячего агента, в знаменателе – для холодного. Сумма чисел в числителе означает количество параллельных каналов для горячего агента, в знаменателе – для холодного (рисунок ПТ-15).

Достоинства и недостатки пластинчатых теплообменников

Преимущества

Недостатки

  • Компактность. В 4 – 8 раз меньше по габаритам, чем кожухотрубчатые с аналогичными характеристиками.
  • Компактность достигается за счёт высокого коэффициента теплопередачи 3 000 Вт / (м2 К). Это более, чем в 3 раза выше, чем у кожухотрубчатых. Достигается за счёт высокой (1 – 3 м / с) скорости теплоносителей при сравнительно невысоких для таких скоростей значениях гидравлических сопротивлений.
  • Удобство профилактики и ремонта в случае использования разборных пластинчатых теплообменников.
  • Возможность выбора различных схем компоновки пластин для реализации требуемых параметров теплообмена и режимов движения теплоагентов.
  • Невозможность использовать разборные теплообменники для потоков с высоким давлением свыше 1 МПа.
  • Ограничение по давлению для сварных теплообменников, составляющее 4 МПа.
  • Профилактика и ремонт сварных теплообменников затруднены.

Спиральные теплообменники

Представим достаточно тонкий, т.е. с небольшой высотой H, иначе - «плоский» параллелепипед размерами основания L и M, H << L, H << M, L < M, с перегородкой, параллельной основанию. В одной части параллелепипеда, например, нижней, протекает теплоноситель 1, в другой, за перегородкой, верхней – теплоноситель 2. Площадь теплообмена, S, таким образом, составит L M, рисунок ПТ-16, А).

Теперь «свернём» параллепипед в трубку, как ковёр. Верхняя поверхность сомкнётся с нижней. Площадь теплообмена составит приблизительно 2S, рисунок ПТ-16, Б).

Поверхностные

Рисунок ПТ-16. Спиральный теплообменник.

Именно так «получается» спиральный теплообменник, рисунок ПТ-16, В).

Изолированные каналы имеют высоту 2 – 12 мм. По каналам в противотоке движутся теплоносители 1 и 2.

В некоторых моделях расстояние между спиральными пластинами фиксируют штифтом, которая задаёт расстояние между ними и увеличивает прочность конструкции спирального теплообменника.

С торцов аппарат закрыт плоскими крышками. Между крышками и спирально изогнутыми листами устанавливаются уплотнительные прокладки из резины, полимеров, металла, в зависимости от свойств теплоносителя. Крышки притягиваются болтами к фланцам цилиндрического корпуса теплообменника. Патрубки (штуцеры) для ввода и вывода агентов крепятся на крышках и возле концов свёрнутых в спираль камер, то есть на внешней цилиндрической поверхности теплообменника. Спиральные теплообменники могут устанавливаться горизонтально и вертикально.

Спиральные теплообменники могут быть и неразборными – сварными.

Достоинства и недостатки спиральных теплообменников

Преимущества

Недостатки

  • Компактность. Поверхность теплоотдачи – до 100 м2 при относительно небольших габаритах.
  • Высокий коэффициент теплопередачи. Достигается за счёт высокой (1 – 2 м / с) скорости теплоносителей при сравнительно невысоких для таких скоростей значениях гидравлических сопротивлений.
  • Удобство профилактики и ремонта в случае использования разборных пластинчатых теплообменников.
  • Возможность выбора различных схем компоновки пластин для реализации требуемых параметров теплообмена и режимов движения теплоагентов.
  • Невозможность использовать разборные теплообменники для потоков с высоким давлением свыше 1 МПа.

  • Профилактика и ремонт сварных теплообменников затруднены.

  • Теплообменники с двойными стенками (рубашками)

    Теплообменники с рубашками используются в химической промышленности для аппаратной реализации химических реакций, требующих определённого температурного режима.

    Обычно они работают под повышенным давлением и называются автоклавы, нитраторы, полимеризаторы, варочные аппараты и т.п.

    На рисунке ПТ-17 показан аппарат с греющей рубашкой. Теплагентом является пар. В рубашку сверху подаётся пар.

    Рубашка может быть съёмной, крепиться на фланцах болтами с прокладкой, или несъёмной, приваренной. В последнем случае профилактика и ремонт такого аппарата затруднены.

    Поверхностные

    Рисунок ПТ-17. Аппарат с греющей рубашкой.

    Достоинства и недостатки аппаратов с рубашками

    Преимущества

    Недостатки

    • Удобство доступа к внутренней камере аппарата для очистки.
    • Простота.
    • Относительно малая поверхность теплообмена – до 15м2.
    • Относительно низкий диапазон рабочих давлений в рубашке – до 1 МПА, т.к. она сложно обеспечить её прочность при больших давлениях.
    • Низкий коэффициент теплопередачи с внутренней стороны корпуса. Для его увеличения требуется перемешивание с помощью мешалок (дополнительные затраты энергии) или методом борбатажа сжатым воздухом или паром.
    • Низкий коэффициент теплопередачи в рубашке при использовании жидкого теплоносителя, т.к. площадь сечения потока относительно велика, скорость теплоносителя относительно низка. Этот недостаток не проявляется при обогреве конденсирующимся паром.

    Правила портала и отказ от ответственности
    Информационный специализированный ресурс teploobmenniki.pro
    Проект B2B-Studio.ru
    Перейти к полной версии Перейти к мобильной версии