1.2.4. Спиральные теплообменники

В спиральных теплообменниках поверхность теплопередачи образуется двумя листами (лентами) из углеродистой или легированной стали, свернутыми ввиде спирали вокруг центральной перегородки (керна). Обычно расстояние между стенками листов в спирали одинаковое. Часть каналов в торцовых частях спирали заваривается, образуя тупиковые каналы, а часть остается открытыми. При сборке с помощью уплотнителя и плит открытые каналы закрываются. Таким образом, образуются два параллельных спиральных канала (см. рис. 1.10). Обычно теплоносители направляют навстречу друг другу. Теплообменник может работать как в горизонтальном, так и в вертикальном исполнении. Предельное давление в аппарате составляет до 1 МПа, температурный режим работы от -20 до +200⁰С. Основные характеристики спиральных теплообменников приведены в таблице 13 (см. приложение).

Рис. 1.10. Спиральный теплообменник

0. Блочные графитовые теплообменники

Для осуществления процесса теплообмена между агрессивными химически активными теплоносителями (например, для нагревания или охлаждения концентрированной серной кислоты) пользуются теплообменниками, изготовленными из графита. Наибольшее распространение получили блочные графитовые теплообменники, основным элементом которых является графитовый блок размером 350х515х350 мм (второе число - для горизонтальных каналов) с вертикальными и горизонтальными непересекающимися отверстиями (каналами) диаметром 12 мм. Аппарат состоит из одного или нескольких блоков. Между блоками для обеспечения герметичности устанавливаются прокладки. Иногда используются специальные замазки и клеи. Для организации числа ходов по вертикальным или горизонтальным каналам отверстия в блоках соединяются с помощью боковых крышек, служащих одновременно корпусом аппарата. Обычно противоположные крышки стягиваются между собой с помощью специальных шпилек. Общий вид блочного графитового теплообменника представлен на рис. 11. Основные параметры нормализованных графитовых теплообменных аппаратов приведены в таблице 14 (см. приложение). Следует отметить, что углеграфитовые теплообменники в некоторых производствах могут быть собраны из цилиндрических блоков с общим центральным отверстием (коллектором) и ряда вертикальных и радиальных каналов [4].

Рис. 1.11. Схема блочного графитового теплообменника (из 2-х блоков):

1 – графитовый блок; 2 – вертикальные каналы; 3 – горизонтальные каналы; 4 - корпус

2. Теоретические основы теплового расчета

Как было указано в первом разделе настоящих методических указаний для определения поверхности теплопередачи необходимо определение тепловой нагрузки, движущей силы процесса теплопередачи и коэффициента теплопередачи.

2.1. Определение тепловой нагрузки аппарата

Тепловой нагрузкой теплообменного аппарата является та часть теплоты, которая непосредственно передается от горячего теплоносителя через стенку и воспринимается холодным теплоносителем (без учета тепловых потерь в окружающую среду).

Эта часть теплоты непосредственно определяется по уравнению теплового баланса, составляемого для данного конкретного процесса теплообмена. Для нахождения тепловой нагрузки рекомендуется, используя схематичное изображение аппарата с обозначением всех материальных потоков и их теплофизических характеристик, составить тепловой баланс и решить его. Наилучшим вариантом составления теплового баланса считается табличный вариант с использованием в качестве основной теплофизической характеристики потока - его энтальпии. На рис. 2.1 и в таблице 2.1 представлен вариант схемы двухходового кожухотрубного теплообменника и таблица теплового баланса.

Рис. 2.1. Схема двухходового кожухотрубчатого теплообменника

Таблица 2.1

Таблица теплового баланса

Статьи прихода теплоты, (Вт)	Статьи расхода теплоты, (Вт)
1. С горячим теплоносителем: 2. С холодным теплоносителем:	1. С горячим теплоносителем: 2. С холодным теплоносителем: 3. Тепловые потери Qпот.
Q прих.	Qр расх.

Составление уравнения теплового баланса:

Q₁+Q₂=Q₃+Q₄+Q_пот (2.1)

или после соответствующей подстановки:

(2.2)

Обычно, при расчете теплового баланса в случае достаточно хорошей тепловой изоляции теплообменного аппарата величиной тепловых потерь пренебрегают или принимают их равными 35% от теплоты, отдаваемой горячим теплоносителем. Тогда уравнение 2.2 приобретает следующий вид:

(0,970,95) (2.3)

Это выражение и определяет тепловую нагрузку аппарата (можно считать ее или по левой или по правой части уравнения). Например: (2.4)

Для решения теплового баланса необходимо уметь рассчитывать энтальпию потоков теплоносителей на входе в аппарат и на выходе из него. Энтальпии потоков определяются вещественным составом потоков и их агрегатным состоянием. Ниже приводятся основные расчетные зависимости для определения энтальпий потоков:

1. Энтальпия газов и жидкостей:

(2.5)

здесь С_р - удельная массовая теплоемкость газа или жидкости берется при соответствующей температуре;

2. Энтальпия смеси газов или жидкостей рассчитывается по закону аддитивности:

(2.6)

здесь - это энтальпии индивидуальных веществ, рассчитанные по уравнению 2.5; х₁, х₂... - массовые доли компонентов в смеси, кг/кг;

3. Энтальпия насыщенных паров:

(2.7)

здесь , где С_рк, t_н, _к - соответственно теплоемкость конденсата, температура насыщения (кипения) и энтальпия конденсата;

4. Энтальпия перегретых паров:

(2.8)

здесь С_рп - теплоемкость пара, t_п.п. - температура перегретого пара;

5. Энтальпия смеси паров, так же как и теплота фазового перехода, рассчитывается в соответствии с законом аддитивности (уравнение 2.6.).

Таким образом, зная как рассчитываются энтальпии потоков теплоносителей на входе и на выходе из теплообменного аппарата, достаточно нетрудно составить и решить тепловой баланс любого процесса теплообмена как с изменением агрегатного состояния теплоносителей, так и без него.