1.2. Классификация и основные типы теплообменных аппаратов

В настоящее время все теплообменные аппараты, используемые в химической промышленности подразделяются на отдельные группы по следующим признакам: по назначению, по режиму работы, по особенностям конструкции и т.д. Наиболее полно классификация теплообменных аппаратов представлена Кичигиным и Костенко [4] и, несмотря на давний год издания, является общепризнанной и в настоящее время.

Не касаясь более детального ознакомления с типами конструкций всех теплообменных аппаратов, рассмотрим конструктивные особенности тех из них, которые нашли наибольшее практическое применение.

1.2.1. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты

Как правило, кожухотрубчатые теплообменные аппараты используются для практической реализации таких процессов, как нагревание (охлаждение), конденсация и испарение. Соответственно аппараты называются теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями.

Теплообменники предназначены для проведения процессов теплообмена между теплоносителями, которые не изменяют своего агрегатного состояния в процессе теплообмена: это газо-жидкостные и жидкостно-жидкостные аппараты для проведения процессов охлаждения и нагревания.

ХОЛОДИЛЬНИКИ предназначены для охлаждения водой или другими нетоксичными, непожаро- и невзрывооопасными хладоагентами жидких и газообразных сред. Как правило, холодильники работают в области минусовых температур.

В соответствии с ГОСТ 15120-79 и 15122-79 кожухотрубчатые теплообменники и холодильники изготавливаются двух типов: “Н” - с неподвижными трубными решетками и “К” - с компенсатором температурных напряжений на кожухе [5, 6]. Необходимость использования компенсатора определяется предельно-допустимой разностью температур стенок труб и кожуха равной 50⁰С или сравнительно большой длиной теплообменных труб (более 6 м) [5].

В общем случае кожухотрубчатый аппарат состоит из пучка труб, закрепленных в трубных решетках и заключенных в кожухе - цилиндрическом корпусе аппарата (обечайке). Чаще всего используются трубы размером 20х2 мм; 25х2 мм; реже 38х2 мм и 57х3,5 мм. Трубки располагают в трубном пучке в шахматном порядке или по вершинам равносторонних треугольников с шагом S=(1,251,30)d_н, где d_н - наружный диаметр теплообменной трубы. Теплообменники могут быть вертикального и горизонтального исполнения, одно- и многоходовыми как по трубному, так и по межтрубному пространству. При необходимости, в зависимости от условий эксплуатации, а так же для увеличения поверхности теплообмена, теплообменники могут соединяться последовательно и параллельно друг с другом, образуя теплообменные установки. Следует отметить, что по трубному пространству теплообменники могут быть только одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми, в то время, как по межтрубному пространству число ходов практически неограничено и определяется числом сегментных перегородок (см. прилож. табл.2). Материал изготовления теплообменников - углеродистая или нержавеющая легированная сталь. Трубы холодильников могут быть выполнены из латуни. Стандартный двухходовый по трубному пространству кожухотрубчатый теплообменник представлен на рис. 1.2.

Основные характеристики нормализованных кожухотрубчатых теплообменников и холодильников приведены в табл. 3 (см. приложение).

КОНДЕНСАТОРЫ предназначены для конденсации насыщенных паров. Обычно конденсацию осуществляют на наружной поверхности пучка труб в межтрубном пространстве (реже в трубном пространстве). В химической промышленности для нагревания жидкостей и газов за счет теплоты конденсации насыщенных паров чаще всего используется насыщенный водяной пар. Конденсаторы так же как и холодильники, могут быть с неподвижными трубными решетками (тип Н) и с компенсаторами на кожухе (тип К), вертикальными или горизонтальными. Однако по числу ходов конденсаторы могут быть только двух-, четырех- или шестиходовыми по трубному пространству. В случае конденсации паров на наружной поверхности труб перегородки в межтрубном пространстве не устанавливаются, а если конденсация осуществляется в трубном пространстве (внутри труб), то межтрубное пространство может быть снабжено сегментными перегородками.

Следует помнить, что для полного использования теплопередающей поверхности, отвода конденсата и предотвращения проскока пара все конденсаторы снабжаются гидравлическим затвором и конденсатоотводчиками [7].

ИСПАРИТЕЛИ предназначены для проведения процессов испарения жидкости при кипении. При этом, жидкость кипит в трубах, а в межтрубное пространство подается греющий агент. В соответствии со стандартом, кожухотрубчатые испарители в этом случае могут быть только одноходовыми и вертикального исполнения. Они так же могут быть выполнены с неподвижными трубными решетками (тип Н) и с компенсаторами на кожухе (тип К).

Основные характеристики нормализованных кожухотрубчатых конденсаторов и испарителей приведены в таблицах 4, 5 (см. приложение).

Использование кожухотрубчатых теплообменников с конденсатором на кожухе ограничено давлением в межтрубном пространстве, равном 1,6 МПа. При большем давлении в кожухе следует применять теплообменники с U - образными трубами (рис. 1.4) и с плавающей головкой (рис. 1.3). Теплообменники с U - образными трубами могут быть только двухходовыми и изготовлены из труб только одного сортамента: 20х2 мм, а теплообменники с плавающей головкой могут быть двух-, четырех- и шестиходовыми. Необходимо отметить, что шестиходовые кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой используются только как конденсаторы. В свою очередь теплообменники с U - образными трубами используются для проведения процессов нагревания или охлаждения без изменения агрегатного состояния теплоносителей.

Основные параметры нормализованных кожухотрубчатых теплообменных аппаратов с U - образными трубами и с плавающей головкой приведены в таблицах 6, 8 (см. приложение).

Кожухотрубчатые испарители с паровым пространством рис. 1.5 получившие наибольшее применение в процессах перегонки и ректификации, в нормализованных вариантах представлены только теплообменники с U - образными трубами и с плавающей головкой. При этом испарители с паровым пространством изготавливаются только двухходовыми из труб 25х2 мм и длиной 6 м.

Поверхности теплообмена и основные параметры нормализованных испарителей с паровым пространством приведены в табл. 7 (см. приложение).

Рис. 1.2. Кожухотрубчатый двухходовой (по трубному пространству)

теплообменник:

1 – кожух; 2 – трубная решетка; 3 – крышка корпуса; 4 – штуцер; 5 - распределительная камера; 6 – крышка распределительной камеры; 7 – перегородка;

8 – сегментные перегородки

Рис. 1.3. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой:

1- кожух; 2 – крышка кожуха; 3 – крышка плавающей головки; 4 – трубная решетка плавающей головки; 5 – штуцер; 6 – распределительная камера; 7 – крышка распределительной камеры; 8 - перегородка

Рис. 1.4. Кожухотрубчатый теплообменник с U – образными трубами:

1 – распределительная камера; 2 – кожух; 3 – теплообменные трубы;

4 - перегородка; 5 - штуцер

Рис. 1.5. Кожухотрубчатый испаритель с паровым пространством:

1 – кожух; 2 – трубная решетка плавающей головки; 3 – теплообменные трубы; 4 – неподвижная трубная решетка; 5 – распределительная камера; 6 – выход остатка;

I – дренаж; II – вход жидкости на испарение; III – слив остатка; IV - выход теплового агента; V – вход теплового агента; VI – выход пара жидкости; VII – люк