Тепловой и конструктивный расчет секционного водо-водяного подогревателя теплосети (стр. 2 из 4)

Если высокотемпературные теплоносители использовать при температурах ниже точки кипения, то в заполненном ими объеме теплообменного аппарата, так же как и при дымовых газах, избыточное давление может отсутствовать.

Основными требованиями, предъявляемыми к высокотемпературным коэффициентным теплоносителям, являются: высокая температура кипения при атмосферном давлении, высокая интенсивность теплообмена, низкая температура отвердевания, малая активность коррозирующего действия на металлы, не токсичность, невоспламеняемость, взрывобезопасность, термическая стойкость и дешевизна.

Наряду с высокотемпературными теплоносителями имеются низкотемпературные теплоносители и холодильные агенты, которые кипят при температурах ниже 0 °С.

На рисунке 1.1. приведены зависимости между давлениями и температурами насыщения для некоторых широко распространенных холодильных агентов.

Рисунок 1.1. Зависимости между давлениями и температурами насыщения для углекислоты СО2, аммиака NH3 и фреона – 12 CCl2F2.

В настоящее время для охлаждения используется эффект эндотермической реакции или поглощения тепла при химическом разложении веществ. Например, при разложении 1 кг хлористого аммония NH4Cl на NH3 и HCl, которые превращаются в газ, поглощается 3300 кДж/кг. Эта величина почти в 1,5 раза превышают теплоту парообразования воды (2269 кДж/кг).

1.2 Конструкции трубчатых, пластинчатых и спиральных аппаратов поверхностного типа

Первые технические теплообменные аппараты представляли собой варочные котлы с огневым или дымовым обогревом. Позднее стали делать аппараты с двуслойными стенками, в промежуток между которыми подавался теплоноситель: греющий пар или горячая вода. Такие аппараты называют рубашечными. Для повышения интенсивности теплообмена и производительности аппаратов в дальнейшем изготовлялись аппараты с поверхностью теплообмена в виде изогнутых в змеевик труб – змеевиковые теплообменники. Однако все указанные аппараты были мало производительными, трудно регулируемыми и неудобными в эксплуатации, особенно была трудной их очистка.

Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия весьма разнообразны. Поэтому рассмотрим только наиболее характерные из них.

Кожухотрубчатые теплообменники (рисунок 1.2.) представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространство в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости, а, следовательно, и интенсивности теплообмена теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между различными жидкостями, между паром и жидкостями или между жидкостями и газами. Они применяются тогда, когда требуется большая поверхность теплообмена.

Трубки теплообменников изготавливаются прямыми (за исключением теплообменников с U – образными трубками, рисунок 1.2., г); поэтому они легко доступны для очистки и замены в случае течи.

Типовые конструкции кожухотрубчатых теплообменников разработаны НИИХИММАШ.

В большинстве случаев пар (греющий теплоноситель) вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам. Конденсат из межтрубного пространства выходит к конденсатоотводчику через штуцер, расположенный в нижней части кожуха. Для компенсации температурных удлинений, возникающих между кожухом и трубками, предусматривается возможность свободного удлинения труб за счет различного рода компенсаторов.

Особенность кожухотрубчатых теплообменников состоит в том, что проходное сечение межтрубного пространства велико по сравнению с проходным сечением трубок и может быть больше последнего в 2,5 – 3 раза. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей (если теплообмен происходит без изменения их агрегатного состояния) часто получаются пониженные скорости теплоносителя и малые значения коэффициентов теплоотдачи на стороне межтрубного пространства, что значительно снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Для выравнивания проходных сечений иногда применяют усадку концов трубок при закреплении в трубной решетке. Схема такого теплообменника показана на рисунке 1.2., б.

Для уменьшения засорения золой дымовые газы пропускают внутри трубок, а воздух – через межтрубное пространство.

Кожухотрубчатые аппараты могут быть вертикальными и горизонтальными. Вертикальные аппараты имеют большее распространение, так они занимают меньше места и более удобно располагаются в рабочем помещении. Для удобства монтажа и эксплуатации максимальную длину трубок для них следует брать не больше 5 м.

Рисунок 1.2. Типы кожухотрубчатых теплообменников.

а – с жестким креплением трубных решеток; б – с обсаженными трубками; в – с линзовым компенсатором на корпусе; г – с U-образными трубками; д – с подвижной решеткой закрытого типа; е – с подвижной решеткой открытого типа; ж – с сальником на штуцере; з – с трубками Фильда.

Во избежание резкого снижения теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке в корпусе теплообменника должны быть предусмотрены краны для выпуска воздуха как из нижней части аппарата над поверхностью конденсата, так и из верхней его части.

Регулирование производительности парожидкостного теплообменника возможно путем изменения давления (дросселированием греющего пара), изменение расхода нагреваемого теплоносителя и изменения (повышения) уровня конденсата в аппарате, т. е. уменьшения активной поверхности теплообмена. В последнем случае для контроля уровня конденсата необходимо иметь на корпусе водоуказательное стекло.

Секционные теплообменники и теплообменники «труба в трубе». Секционные трубчатые теплообменники (рисунок 1.3.) при одинаковых расходах жидкостей имеют меньшую разницу в скоростях движения теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве и повышенные коэффициенты теплопередачи по сравнению с обычными трубчатыми теплообменниками.

Рисунок 1.3. Водоводяной подогреватель теплосети Мосэнерго.

1 – линзовый компенсатор; 2- разборная (на резьбе) трубная решетка; 3 – калач; 4 – трубки.

Для небольших производительностей целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе», относящихся также к секционным, но конструктивно упрощенным аппаратам: в наружную трубу вставлена труба меньшего диаметра, отсутствуют трубные решетки и фланцы, все элементы аппарата соединены сваркой.

Недостатки секционных теплообменников: во-первых, 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.; во–вторых, большая длина пути жидкости по сравнению с одноходовой трубчаткой, что создает значительные гидравлические сопротивления и вызывает увеличение расхода электроэнергии на работу насоса.

На рисунке 1.4. показан многопоточный разборный теплообменник «трубу в трубе», предназначенный для нагрева и охлаждения жидких и газовых сред в технологических установках заводов нефтяной, химической, газовой и других отраслей промышленности. Температура рабочей среды от –140 до +140 °С, давление в трубах 2,5 – 9,0 МПа. Для улучшения теплообмена трубы могут иметь продольные ребра и поперечную винтовую насадку.

Спиральный теплообменник показан на рисунке 1.5. Два листа толщиной 3-7 мм (в зависимости от рабочего давления в аппарате) свертывают на специальном станке в спирали, причем при помощи приваренных бобышек между ними сохраняется одинаковое по всей спирали расстояние от 5 до 15 мм. 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 и входа теплоносителя.

Рисунок 1.4. Многопоточный разборный теплообменник «труба в трубе».

1 и 3 – первая и вторая распределительные камеры; 2 – решетка теплообменных труб; 4 – решетка кожуховых труб; 5 – опорная обечайка; 6 – кожуховая труба; 7 - теплообменная труба; 8 – прокладка; 9 – задняя камера; 10 – опора.

Спирали изготовляют так, что торцы листов лежат строго в одной плоскости. Затем их 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, паранита, асбеста или мягкого металла. Такая конструкция обеспечивает возможность чистки поверхностей нагрева и работу без перетекания теплоносителей при давлениях до 4 * 105 Па. Для повышенных давлений и больших производительностей применяют спиральные теплообменники с усложненной, но более надежной конструкцией уплотнения торцов спиралей. Спиральные теплообменники бывают горизонтального и вертикального типов; их устанавливают часто блоками по два, четыре и восемь аппаратов.

Рисунок 1.5. Спиральный теплообменник.

1 – разделяющая перегородка; 2 – дистанционные штифты; 3 – прокладки.

Достоинствами спиральных теплообменников по сравнению с многоходовыми трубчатыми теплообменниками являются повышенная компактность (большая поверхность теплообмена в единице объема) при одинаковых коэффициентах теплопередачи и меньшее гидравлическое сопротивление для прохода теплоносителей, недостатками их являются сложность изготовления и меньшая плотность.