МАШИНОСТРОЕНИЕ

ЗМЕЕВИКОВЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Змеевиковые теплообменные аппараты - это аппараты, в которых теплообменная по­верхность выполнена в виде объемного или плоского змеевика, расположенного в корпусе теплообменного аппарата, а теплоноситель с высоким давлением подается в трубное про­странство змеевика. Эти аппараты применяют в химической, нефтехимической, газовой, а также в холодильной и пищевой отраслях про­мышленности. Теплообменные аппараты тако­го типа определяют как аппараты нежесткой конструкции с компенсацией температурных напряжений в результате свободного удлине­ния змеевика.

Классификация змеевиковых теплооб - менных аппаратов. Эти аппараты классифи­цируют по назначению, по агрегатному со­стоянию теплоносителей и схемы их относи­тельного движения, по конфигурации тепло - обменных элементов и их ориентации, по мес­ту их расположения и виду компоновки, по характеру теплового контакта:

По технологическому назначению - как кожухотрубчатые рекуперативные теплообе- менные аппараты;

По конфигурации змеевика - с плоскими спиральными (рис. 4.1.18, а), зигзагообразны­ми (рис. 4.1.18, б), объемными цилиндрической (рис. 4.1.18, в) и конической (рис. 4.1.18, г) формы;

По ориентации теплообменных элементов в пространстве - с горизонтальным, верти­кальным или наклонным расположением змее­виков;

По месту расположения теплообменных элементов - с внутренними змеевиками, уста­новленными внутри корпуса, и с внешними.

Размещенными на корпусе. Как правило, аппа­раты с внутренними теплообменными элемен­тами называют погружными, а с внешними - теплообменными аппаратами с наружными змеевиками;

По числу заходов змеевика - одно - и мно - гозаходные (многоэлементные);

По характеру теплового контакта тепло - обменных элементов с теплоносителем - по­гружные и оросительные.

Конструкции змеевиковых теплооб­менных аппаратов. Основным узлом аппарата является теплообменный элемент - змеевик.

Представляющий собой трубу, как правило, круглого поперечного сечения, плоской или объемной конфигурации. Форма конфигурации змеевика выбирается в зависимости от схемы взаимодействия теплоносителей, формы и гео­метрических размеров корпуса и теплофизиче - ских свойств теплоносителей.

На рис. 4.1.19 показан одноэлементный змеевиковый аппарат общепромышленного назначения, работающий по перекрестно - противоточной схеме взаимодействия теплоно­сителей. Аппарат состоит из змеевика /, витки которого ориентированы по винтовой линии, цилиндрического стакана (вставки) 2 и кор­пуса 3. Пар П\ вводится в верхнюю часть кор­пуса со скоростью до 50 м/с и выходит снизу П2. В трубное пространство змеевика снизу поступает нагреваемая жидкость Вь которая движется со скоростью до 2 м/с вверх к выходу В2- Разность давлений теплоносителей в теплообменнике может достигать до 10 МПа.

В многозаходном змеевиковом аппарате витые трубы концами вваривают в трубные решетки 1 (рис. 4.1.20). Теплопередающая по­верхность состоит из большого количества змеевиков 2, расположенных по винтовой ли­нии в кольцевом пространстве между внутрен­ним барабаном 3 и кожухом 4. Один из тепло­носителей движется внутри труб змеевика,

Другой - вдоль оси корпуса аппарата и обтека­ет трубы почти в перпендикулярном к ним направлении. Теплообменные аппараты такой конструкции нашли применение в установках низкотемпературного разделения воздуха.

В многозаходном (многоэлементном) противоточно-винтовом аппарате для нагрева воды интенсификация теплообмена достигает­ся в результате высоких скоростей движения теплоносителей (рис. 4.1.21). Нагреваемая вода поднимается по нескольким параллельно включенным змеевикам 10, а пар идет проти­вотоком по спиральному каналу, образованно­му винтовыми перегородками 5. Подогревае­мая вода входит в патрубок 8, опускается по трубе 3 в нижние коллекторы 2 и движется по змеевикам 10 вверх. Из змеевиков вода посту­пает в верхние коллекторы 9 и по кольцевому сечению между трубами 3 и 4 выходит в пат­рубок 7. Греющий пар через патрубок в крыш­ке б поступает в аппарат и по спиральным ка­налам движется сверху вниз. Конденсат пара выходит из патрубка 1. Такая конструкция допускает большие скорости движения тепло­носителей как в змеевиках, так и в корпусе аппарата, что обеспечивает высокие коэффи­циенты теплопередачи.

Многоэлементный змеевиковый тепло - обменный аппарат с плоскими спиральными змеевиками для охлаждения азотоводородной смеси состоит из четырех кольцевых секций 7, включенных параллельно по ходу газа и жид­кости (рис. 4.1.22). К наружной и внутренней

Обечайкам кожуха 5 каждой секции крепятся коллекторы 3 для подвода и отвода из секций охлаждающей жидкости. Коллекторы секций смещены один относительно другого на 90°. Газ в каждую секцию подводится сверху по вертикальному коллектору 2 и распределяется по приваренным к нему нескольким (10 - 14) плоским спиральным змеевикам 4, располо­женным параллельно один над другим. Охлаж­денная газовая смесь выводится по такому же коллектору у внутренней обечайки кожуха. Между плоскими змеевиками установлена спиральная перегородка из листовой стали, сообщающая жидкости в межтрубном про­странстве направление движения по спирали вдоль витков теплообменных элементов проти - воточно газовой смеси.

Такой аппарат обладает хорошей способ­ностью к самокомпенсации температурных напряжений, относительно малым гидравличе­ским сопротивлением, но достаточно сложен в изготовлении и монтаже.

Проектирование змеевиковых теплооб­менников представляет собой комплексную задачу, включающую тепловой, конструктив­ный, гидравлический и прочностной расчеты.

Расчет змеевикового теплообменного аппарата. Тепловой расчет сводится к опреде­лению площади поверхности теплопередачи, величина которой рассчитывается по уравне­нию (4.1.1) по аналогии расчета кожухотрубча­тых теплообменников. Однако при расчете коэффициента теплопередачи по уравнению (4.1.2) коэффициенты теплоотдачи в трубном aj и межтрубном aj пространствах для змеевикового теплообменного аппарата опре­деляются по формулам, полученным для этих теплообменников.

В табл. 4.1.3 представлены уравнения по­добия для определения коэффициента теплоот­дачи а\, Вт/(м2 К), в трубном пространстве аппарата.

4.1.3. Уравнения для определения коэффициента теплоотдачи otj в трубном пространстве змеевикового теплообменного аппарата

Nil! =3,65 + 0,08

Ґ D\~0,914

\d\ J

Re! = 100... Re-

RelKp = 2300 x D/dx =5. ..80

Примечание. Обозначения. Nuj = aj d\ - число Н>ссельта, d\ - внутренний диаметр трубы,

М, X] - коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/(м К); Nuj = aj dr]/'k] - число Нуссельта, в котором в качестве определяющего размера принимается гидравлический диаметр, dri = 4Fi/P] , м, где Fj - площадь свободного сечения трубного пространства, м2, Р\ - омываемый периметр поперечного сечения трубного пространства, м. Rej = Wjdj pj /|-і| - число Рейнольдса, определяющее гидродинамический режим течения теплоносителя, Wj - среднерасходная скорость движения теплоносителя, м/с; pj - плотность, кг/м3;

Jij - динамическая вязкость теплоносителя, Па с; Rej = fV]drl Pj/щ - число Рейнольдса, определяемое по

Гидравлическому диаметру трубы ; RC]Kp - граничное число Рейнольдса, определяющее смену режима

Течения теплоносителя в трубе змеевика; РГ| = fij срj - число Прандтля, характеризующее теплофизиче -

Ские свойства теплоносителя при ее средней температу ре 7j, К; ср\ - удельная теплоемкость теплоносителя,

Дж/(кг К); Ргст1 - число Прандтля, в котором теплофизические параметры теплоносителя рассчитаны при

Температуре внутренней стенки трубы Гст1, К; /j - длина трубы змеевика, м, D = 2R - средний диаметр; S - шаг витков змеевика, м

В табл. 4.1.4 представлены уравнения змеевикового теплообменного аппарата при для определения коэффициента теплоотдачи внешнем стабилизированном продольном и сс2, Вт/(м2К), в межтрубном пространстве поперечном обтекании змеевиков.

4Л.4. Уравнения подобия для определения коэффициента теплоотдачи ос2 в межтрубном пространстве змеевикового теплообменного аппарата

Условия применимости

Продольное обтекание пучка витых труб

Re2 = (2... 40)103; Fr2 = 232... 2440;

\0,55

Nu2 =0,023Ref Pr°'4 l + 3,6Fr2-°<357

S/d2 = 12,3. ..34; /2Я2> 20;

D1 =12,3-Ю'3 м

Т

V ст2 у

\0,55

Nu2 = 83,5Fr2-u Re2 Pr20'4 (l + 3,6Fr-°357

Где ^? = 0,212Fr2,194npH Fr2 <924 и >7 = 0,8 при Fr2 >924

Nu*2 = 0,394/^ Re*20'6 Pr20'33;

0,558 _ 0,316 0,112 J '

M m

~ ґ

A^j a.

1---- Cosa +---------- sina

V 90 J 1000

Продолжение табл. 4.1.4

Примечание. Обозначения: Nu2 = а2 dr2/X2 ~ число Нуссельта; dr2 = 4 F2 /Р2 - гидравли­ческий диаметр межтрубного пространства аппарата, м; F2- площадь свободного сечения межтрубного про­странства, м2; Р2 - омываемый периметр змеевиков в межтрубном пространстве, м, к-у - коэффициент тепло­проводности теплоносителя, Вт/(м2К); Nu2 = а2 dr2/\2 - число Нуссельта, в котором в качестве опреде­ляющего размера принимается гидравлический диаметр dr2 = 2f FT/((\- f)S2 ). м, / = /Vra - доля свободного объема аппарата; п - число труб в аппарате; УТ - объем одной трубы, м3; Vja - объем аппа­рата, м3; FT - площадь поперечного сечения одной трубы, м2; S~> - продольный шаг разбивки труб в секции, м;

Nu2 = а2 d2 /Х2 - число Нуссельта при поперечном обтекании, определяемое по наружному диаметру трубы змеевика d2, м; Re2 = w2dr2 р2/ц2 - число Рейнольдса при продольном обтекании труб; w2 - среднерасходная скорость движения потока, м/с; р2 - плотность теплоносителя, кг/м3; fi2 - динамическая

Вязкость теплоносителя в межтрубном пространстве, Па с; Re2 = w2 dr2 Р2/ц2 - число Рейнольдса при

Поперечном обтекании, где w2 = j f - среднерасходная скорость движения потока в межтрубном про­странстве аппарата, м/с; - среднерасходная скорость движения потока в свободном сечении аппарата, м/с;

Re2 = w2d2 р2/ц2 - число Рейнольдса при поперечном обтекании, определяемое по наружному диаметру

Трубы d2, м; w2 - среднерасходная скорость движения теплоносителя в межтрубном пространстве, м/с, Pr2 = №2 ср2 /^2 ~ числ0 Прандтля. в котором тегілофизические свойства теплоносителя рассчитаны при средней температуре теплоносителя в межтрубном пространстве Т2 , К, ср2 - удельная теплоемкость тепло­носителя, Дж/(кгК); Fr2 =S2/(d 2 dr2) - модифицированное число Фруда, S - шаг витков змеевика, м, Гст2 - средняя температура на наружной стенке трубы змеевика. К, /? - длина канала межтрубного простран­ства, м; m - число рядов труб по глубине потока, є - угол наклона труб, измеренный по отношению к плоско­сти, нормальной к оси змеевика, (3 - угол между направлением потока и осью пучка, ° При вычислении

Nu2 = /^Re2,Pr2 j определяющая температура принимается равной средней между температурами тепло­носителя Т2 и наружной стенки Тст2.

В конструктивном расчете определяется диаметр и высота корпуса аппарата. Длина трубы змеевика, м,

H=Fl(ndc), где dc = dx +5 - средний диаметр трубы, м; 5 - толщина стенки, м; d\ - внутренний диа­метр трубы, м.

Число витков змеевика

#I = /,/(nD),

Где D - средний диаметр змеевика, м.

Шаг витков змеевика

S = (1,5...2,0)<іс.

Внутренний диаметр корпуса

DK=D + {3..A)dc. Высота корпуса, м,

И = И + Ик,

Где h — nS - высота змеевика, м; hK = = (ОЛ 5... 0,2) м - конструктивная добавка.

Гидравлический расчет. Расчет гидравли­ческого сопротивления APj (Па) производится с целью определения затрат энергии на транс­портировку теплоносителей в трубном и меж­трубном пространствах аппарата по следую­щему уравнению:

ДPi=hX^L

DTi

Где Xj - коэффициент гидравлического сопро­тивления /-го канала; /,, dri - соответственно длина и гидравлический диаметр /-го канала, м; pi - плотность, кг/м3; - оптимальная ско­рость движения /-го теплоносителя, м/с.

Коэффициент гидравлического сопротив­ления трубного и межтрубного пространства

Определяется по критериальным уравнени­ям, характерным для каждой конструкции ап­парата.

Прочностной расчет определяет испол­нительные размеры элементов конструкции: толщину корпуса, крышки, днища и теплооб­менных элементов с учетом суммарных меха­нических и тепловых нагрузок [29, 41].

Отечественной промышленностью выпус­каются змеевиковые теплообменники с площа­дью поверхности теплопередачи до 150 м2.

4.1.3 ТЕПЛООБМЕННИКИ ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»

Эти аппараты используются главным об­разом для охлаждения или нагревания в систе­ме жидкость - жидкость, когда расходы тепло­носителей невелики и они не меняют своего агрегатного состояния. Иногда такие теплооб­менники применяют при высоком давлении для жидких и газообразных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве мета­нола, аммиака и др.

По сравнению с кожухотрубчатыми теп­лообменники "труба в трубе" имеют меньшее гидравлическое сопротивление межтрубного пространства, более высокий коэффициент теплопередачи, отличаются простотой конст­руктивного оформления. Однако при равных теплообменных характеристиках они менее компактные и более металлоемкие.

Теплообменники "труба в трубе" класси­фицируют на разборные или неразборные, од­но - и многопоточные.

Однопоточные неразборные теплообмен­ники (рис. 4.1.23) состоят из отдельных звень­ев, в каждый из которых входят наружная (или кожуховая) 1 и внутренняя (или теплообмен - ная) 2 трубы. Наружная труба 1 двумя привар­ными кольцами связана с внутренней трубой 2 в звено. Звенья в свою очередь собраны в вер­тикальный ряд и составляют теплообменную секцию. При этом внутренние трубы соедине­ны между собой коленами 3 с помощью флан­цев (рис. 4.1.23, а) или сваркой (рис. 4.1.23, б), а наружные - штуцерами 4 с помощью флан­цев или сваркой. Звенья закреплены скобами на металлическом каркасе 5.

Неразборные теплообменники являются конструкцией жесткого типа, поэтому при раз­ности температур труб более 70 °С их не ис­пользуют. При большей разности температур, а также при необходимости механической очи­стки межтрубного пространства применяют теплообменники с компенсирующим устройст­
вом на наружной трубе (рис. 4.1.23. в). В этом случае кольцевую щель между трубами с од­ной стороны наглухо заваривают, а с другой - уплотняют сальником 6.

В разборных конструкциях теплообмен­ников типа "труба в трубе" обеспечивается компенсация деформаций теплообменных труб. На рис. 4.1.24 показан разборный много­поточный теплообменник типа "труба в трубе", напоминающий кожухотрубчатый теплообмен­ник U-образного типа. Аппарат состоит из ко - жуховых труб 5, развальцованных в двух труб­ных решетках: средней 4 и правой 7. Внутри кожуховых труб размещены теплообменные трубы б, один конец которых жестко связан с левой трубной решеткой 2, а другой может перемещаться. Свободные концы теплообмен­ных труб попарно соединены коленами 8 и закрыты крышкой 9. Для распределения потока теплоносителя по теплообменным трубам слу­жит распределительная камера /, а для распре­деления теплоносителя в межтрубном про­странстве - распределительная камера 3. Пла­стинами 11 кожуховые трубы жестко связаны с опорами 10.

Теплообменник имеет два хода по внут­ренним трубам и два по наружным. Узлы со­единения теплообменных труб с трубной ре­шеткой I и с коленами II уплотнены за счет прижима и деформации полушаровых ниппе­лей в конических гнездах.

Эти аппараты могут работать с загряз­ненными теплоносителями, так как внутрен­нюю поверхность теплообменных труб можно подвергать механической очистке. Поскольку возможность температурных удлинений кожу­ховых труб ввиду жесткого соединения их с опорами ограничена, разность температур труб до подачи теплоносителя и в процессе работы не должна превышать 150 °С.

Расчеты этих теплообменников анало­гичны расчетам кожухотрубчатых аппаратов. Промышленные теплообменники имеют пло­щадь поверхности теплообмена 1 ...250 м2.