Учебное пособие 800409

3.РЕКУПЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

3.1.Конструкции рекуперативных ТОА

По конструкции и форме поверхности рекуперативные ТОА весьма разнообразны и определяются областью их применения и назначением. Рассмотрим несколько наиболее часто применяющихся конструкций.

Кожухотрубные (кожухотрубчатые) теплообменники - самый широко применяемый вид рекуперативных ТОА, выпускаемый промышленностью наибольшим количеством серий и типоразмеров.

Основу конструкции ТОА – пучок труб, закрепленных своими концами в отверстиях толстых металлических дисков с отверстиями – трубных решетках или трубных досках. Трубный пучок помещается в цилиндрический кожух, с торцов пучок закрывается крышками эллиптического или прямоугольного сечения. В кожухе аппарата имеется два штуцера для подвода и отвода теплоносителя, аналогичные штуцеры имеются в крышках (рис.1).

В результате внутри пространства, ограниченного кожухом и крышками аппарата, образуются две разобщенные полости, называемые трубным и межтрубным пространством. Основной характеристикой этих пространств является площадь проходного сечения, поскольку именно она влияет на скорость движения ТН внутри ТОА. Особенность кожухотрубных ТОА состоит в том, что проходное сечение межтрубного пространства больше проходного сечения трубок и может быть больше последнего в 1,5 – 3 раза.

Рис. 1. Горизонтальный пароводяной теплообменный аппарат:

1 – вход пара; 2 – выход конденсата; 3 – отвод неконденсирующихся газов; 4 – штуцер для подключения манометра; 5 и 6 – вход и выход воды соответственно

11

С увеличением общего количества трубок это неравенство растет в большую сторону, что при одинаковом агрегатном состоянии ТН может привести к значительному снижению интенсивности теплообмена в межтрубном пространстве.

ТОА бывают вертикального, горизонтального и наклонного исполнений. Вертикальные аппараты имеют большее распространение, так как они занимают меньше места, более удобно располагаются в рабочем помещении и легче компонуются с другим оборудованием, но при этом требуют соответствующей высоты помещения.

Трубки теплообменников изготовляются прямыми (за исключением теплообменников с U- и W-образными трубками) – это делает их легкодоступными для очистки и замены в случае течи. Наружный диаметр труб находится в диапазоне от 12 до 57 мм. Меньшие диаметры применяются реже в связи со сложностью очистки внутренней поверхности, большие верхнего диапазона оказываются неэффективными с точки зрения теплообмена и существенно снижают компактность ТОА в целом. Существуют конструкции ТОА с другой конфигурацией сечения трубки: треугольные, каплеобразные, эллиптические и т.п.

Длина теплообменных труб редко превышает 5 м для горизонтальных и 6 м для вертикальных аппаратов.

Кожухотрубные ТОА – единственная конструкция рекуперативных теплообменников, работающих во всем диапазоне давлений: от глубокого вакуума до сверхвысоких давлений ТН. Предельные значения температур ТН определяются конструкционными свойствами материалов.

Недостатками кожухотрубных ТОА являются:

-сложность, материалоемкость и металлоемкость конструкции аппарата и, как следствие, сложность изготовления и обслуживания;

-использование различных металлов (например, корпус – сталь, трубки – латунь), различный нагрев элементов ТОА приводит к различному удлинению/сжатию с последующим возникновением механических напряжений;

-низкое значение компактности2 аппарата – 40-60 м2/м3;

-разность площадей проходного сечения трубного и межтрубного пространства.

Для компенсации температурных удлинений, возникающих между кожухом и трубками, предусматривается возможность свободного удлинения труб за счет различного рода устройств.

На рис. 2 представлены три возможных варианта компенсации температурных напряжений: «в» - с линзовым компенсатором на корпусе, «е» - с «плавающей» трубной решеткой, «д» - с «плавающей» верхней камерой.

2 Компактность или удельная поверхность – площадь поверхности теплообмена в единице внутреннего объема аппарата, м2/м3

12

Рис. 2. Варианты конструкций кожухотрубных ТОА

13

Для снижения неравенства площадей проходных сечений трубного и межтрубного пространств используют различные технические решения. На рис. 2, б изображен ТОА для высоких давлений ТН, у которого трубки большого диаметра заужены в трубных досках методом усадки.

Еще одним вариантом является использование в межтрубном пространстве перегородок различных конструкций. Их применение позволяет решить сразу несколько проблем, связанных с работой ТОА. Об этом – в п. 3.4.5.

Снижение числа трубок пучка позволяет добиться приблизительного равенства площадей проходного сечения. Но это, в свою очередь, накладывает ограничение на предельное значение площади поверхности теплообмена. Для достижения расчетной площади приходится набирать несколько ТОА, соединяя их последовательно по трубному и межтрубному пространству (рис. 3).

Рис. 3. Схема двухсекционного ТОА

Секционные ТОА (рис. 3) широко использовались в практике теплоснабжения – в них происходил подогрев водопроводной воды для горячего водоснабжения на центральных тепловых пунктах за счет тепла сетевой воды. В этих ТОА количество труб редко превышало 50-60.

Конструкция и эксплуатация секционных теплообменников выявила целый ряд недостатков:

14

-высокая стоимость единицы поверхности нагрева, так как деление ее на секции вызывает увеличение количества наиболее дорогих элементов аппарата

—трубных решеток, фланцевых соединений, переходных камер, компенсаторов и т. д.;

-большая длина пути жидкости создает значительные гидравлические сопротивления и вызывает увеличение расхода электроэнергии на работу насоса.

При небольших расходах ТН либо при высоких давлениях может использоваться предельная конструкция кожухотубных ТОА – типа «труба в трубе». В них в кожухе располагается коаксиально всего одна труба.

На рис. 4 показан ТОА типа «труба в трубе», применяемый на компрессорных станциях для охлаждения воздуха высокого давления после компрессоров.

Рис. 4. Схема воздухоохладителя типа «труба в трубе»

В случаях значительной разницы коэффициентов теплоотдачи широко используются кожухотрубные ТОА с оребренными трубками. О различных вариантах оребрения и методах их расчета в п. 3.4.9.

При высоких давлениях ТН или при значительном перепаде их давлений (от 10 МПа и более) применяются ТОА с трубками витой формы. На рис. 5 показано устройство межступенчатого воздухоохладителя компрессорной станции – змеевикового ТОА. Об особенностях теплообмена и методах расчета при движении ТН по винтовой поверхности - в п. 3.4.2.

15

Рис. 5. Конструкция змеевикового ТОА

При проектировании ТОА возникает вопрос о размещении теплоносителей в трубное либо межтрубное пространство. Рекомендации по выбору для кожухотрубных ТОА приведены в п. 3.6.

Спиральные теплообменники достаточно широко применяются в промышленности в связи с целым рядом преимуществ по сравнению с другими конструкциями (в первую очередь с кожухотрубными).

В настоящее время спиральные ТОА изготавливаются серийно согласно СТО 00220256-003-2006 «Теплообменники спиральные стальные. Технические условия».

Конструкция ТОА представляет собой два листа из рулонной стали (обычной малоуглеродистой или легированной) толщиной 3,5 и 6 мм (в зависимости от рабочего давления в аппарате) шириной от 400 до 1100 мм. Одним краем рулон крепится к центральной толстой пластине («керну»), а затем относительно нее свертывают на специальном станке в спирали. При этом специальными устройствами между витками сохраняется одинаковое по всей спирали расстояние 8 или 12 мм (рис. 6). Таким образом, получаются два канала, и каждый из них имеет полуцилиндрическую часть в центре аппарата и спиральную часть, заканчивающуюся коробкой снаружи. Каждый центральный полуцилиндр и каждая коробка имеют штуцер для входа или выхода теплоносителя. Спирали изготовляют так, что торцы листов лежат строго в одной плоскости. Торцы листов могут завариваться специальной стальной лентой с обеих сторон – глухие каналы, с одной стороны – тупиковые каналы или вообще быть сквозными.

16

Рис. 6. Конструкция спирального ТОА

Затем полученную спираль помещают между дисками, являющимися крышками аппарата, и стягивают болтами. Для лучшей герметизации и устранения перетекания теплоносителей между крышками и листами по всему сечению теплообменника помещают прокладку из резины, паронита, асбеста, мягкого металла или полимера. Такая конструкция обеспечивает возможность чистки поверхностей нагрева и работу без перетекания теплоносителей при давлениях до 0.4 МПа (для сквозных и тупиковых каналов). Для повышенных давлений (до 1 МПа) и больших производительностей применяют спиральные теплообменники с глухими каналами.

Спиральные теплообменники бывают горизонтального и вертикального типов; их устанавливают часто блоками по два, четыре и восемь аппаратов. Стандартные ТОА имеют площадь теплообмена до 100 м2.

Спиральные ТОА используются для систем «жидкость-жидкость» в качестве подогревателей и охладителей, «жидкость-пар» в качестве конденсаторов, нагревателей и испарителей, для охлаждения и нагревания парогазовых смесей. Применение для газов ограничено малым поперечным сечением канала.

Одно из назначений спиральных теплообменников — нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей. Так как вязкая жидкость проходит по одному каналу, то устраняется проблема равномерного распределения вязкой жидкости по трубам. Легкость очистки и условия течения позволяет использовать загрязненные ТН.

17

Достоинствами спиральных ТОА по сравнению с кожухотрубными явля-

ются:

-повышенная компактность;

-движение ТН осуществляется в условиях чистого противотока;

-поток ТН не имеет резких изменений направления движения;

-при равенстве скоростей – большее значение коэффициента теплоотдачи вследствие вторичной циркуляции, подробнее в п. 3.4.2.

-при равенстве площадей – меньшее гидравлическое сопротивление;

-удобство обслуживания и очистки.

Недостатками спиральных ТОА являются:

-ограниченный диапазон рабочих давлений ТН;

-ограничение на перепад давлений между ТН;

-меньшая прочность и герметичность аппарата вследствие механического уплотнения торцов спиралей.

Пластинчатые теплообменные аппараты являются разновидностью поверхностных рекуперативных теплообменных аппаратов с поверхностью теплообмена, изготовленной из тонкого листа. Пластинчатые ТОА стали при-

меняться широко относительно недавно, хотя изобретены были более ста лет назад3.

Принципиально конструкция пластинчатых ТОА с момента изобретения не изменилась: тонкие металлические пластины набираются в пакет с небольшим зазором. В этих зазорах располагаются потоки «горячего» и «холодного» теплоносителей (рис. 7). В простейшем случае пластины могут быть плоскими,

сгладкими стенками и иметь любую форму. Подобная форма теплообменного элемента позволяет достичь размещения в единице пространства максимально возможной площади поверхности теплообмена. В результате компактность

пластинчатых ТОА является максимальной среди всех конструкций рекуперативных теплообменников (до 5000 м2/м3).

Недостатками изготовлявшихся в прошлом первых конструкций теплообменников с большими расстояниями (15—40 мм) между пластинами являлась малая герметичность и применимость лишь для газов из-за незначительных допустимых перепадов давлений между теплоносителями (несколько сотен паскалей).

В настоящее время серийно изготавливаются разборные, полуразборные (блочные) и неразборные пластинчатые ТОА.

Разборные пластинчатые ТОА имеют ряд неоспоримых преимуществ:

3 В литературе имеются данные, свидетельствующие о том, что принципы устройства пластинчатых аппаратов для нагревания н охлаждения жидкостей в тонком слое и некоторые их конструктивные решения были предложены еще в конце 19 века

18

Рис. 7. Схема пластинчатого теплообменного элемента

-легкость разборки для очистки, визуального контроля либо замены поврежденных коррозией пластин;

-возможность быстрого изменения площади поверхности теплообмена при изменении технологического режима эксплуатации ТОА.

В настоящее время разработано большое число теплообменников, поверхность теплообмена которых выполнена из гофрированных пластин с незначительным расстоянием между пластинами (6—8 мм) (рис. 7).

ТОА (рис. 7) представляет собой конструкцию, монтирующуюся на двух опорах: задней – 10, и передней (она же передняя плита со штуцерами) – 1. Опоры соединены двум я направляющими штангами: нижней – 11, на которой посажены теплопередающие пластины 2, 3, 5, 6, 7, и верхней 9, служащей направляющей для пластин. Пакет пластин с уплотняющими прокладками стягивается задней плитой 8 шпильками 12 к передней плите.

Эти теплообменники очень компактны и по технико-экономическим, а для разборных конструкций и по эксплуатационным показателям превосходят лучшие кожухотрубные ТОА. В настоящее время отечественными и зарубежными производителями выпускается большое количество типоразмеров пластин и уплотнительных материалов. Разборные ТОА работают в диапазоне давлений до 2.5 МПа и температуре от 30 до 150 .

19

Наряду с разборными используются также и неразборные конструкции: паяные и сварные, позволяющие работать при больших давлениях ТН.

Рис. 8. Конструкция пластинчатого разборного ТОА

3.2. Основные расчеты при проектировании теплообменных аппаратов

В практике расчета и проектирования теплообменных аппаратов принято различать тепловой конструктивный, тепловой поверочный, компоновочный, гидравлический, механический и технико-экономический расчеты.

20