МАШИНОСТРОЕНИЕ

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ ИЗ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

Обладая высокой теплопроводностью, теплообменники из неметаллических материа­лов благодаря антикоррозионным свойствам обеспечивают химическую чистоту перераба­тываемых продуктов и позволяют экономить дорогие цветные металлы и легированные ста­ли. Они нашли широкое применение в качестве конденсаторов, холодильников, нагревателей и испарителей при обработке высокоагрессив­ных кислот, щелочей, органических и неорга­нических растворителей, в частности, соляной, серной, фосфорной, уксусной, азотной кислот, бензола, толуола, фенола, хлорэтилбензола и др. К недостаткам теплообменных аппаратов из неметаллических материалов следует отне­сти их низкую прочность при растяжении и из­гибе материала, из которого их изготовляют, невозможность соединения деталей способами, аналогичными пайке или сварке металлов.

Материалы для теплообменников. В качестве неметаллических конструкционных материалов для изготовления технологической аппаратуры применяют углеграфиты и фторо­пласты различных марок. Углеграфитовые теп­лообменники бывают: прямоугольно-блочные, кожухотрубчатые, кожухоблочные, ороситель­ные, погружные, типа *ьтруба в трубе". Трубча­тые теплообменные аппараты из фторопласта изготовляют двух модификаций: теплообмен­ные погружные аппараты типа П и теплооб­менные кожухотрубчатые аппараты типа К.

Для изготовления углеграфитовых тепло - обменных аппаратов применяют следующие материалы:

Графит прессованный и пропитанный синтетическими смолами марок МГ, МГ-1, МГ-2, МГ-3, МГЗ-Л. Из этих материалов изго­товляют преимущественно детали теплооб­менников;

Графитопласт (антегмит) марки АТМ-1, который представляет собой композицию гра­фита и фенолформальдегидной смолы и отли­чается от графита марок МГ более высокой прочностью, непроницаемостью для жидкостей и газов, но имеет меньшую теплопроводность. Применяется для изготовления трубных пучков теплообменных аппаратов;

Графитопласт (антегмит) марок АТМ-1 Г и ATM-10, который отличается от марки АТМ-1 более высокой теплостойкостью и теплопро­водностью, меньшим коэффициентом темпера­турного расширения. Однако механическая прочность такого графитопласта меньше, чем у АТМ-1;

Графитопласты литьевых марок НЛ, 2ФНЛ, 5ЭФНЛ. Из них изготовляют крупнога­баритные литые детали - корпуса, крышки и т. д.

Конструкции теплообменных аппара­тов из неметаллических материалов. Тепло - обменные аппараты прямоугольно-блочного типа изготовляют из отдельных прессованных блоков /, соединенных между собой специаль­ной кислотостойкой замазкой (арзамит-4) (рис. 4.1.41). В блоках / имеются вертикальные и горизонтальные каналы для прохода тепло­носителей. Узлы соединения блоков можно уп­лотнять также прокладками из фторопласта (ФУМ) или из кислототермостойкой резины. Аппарат имеет распределительные камеры 2, скрепленные с блоками и между собой крыш-

Ками 10 и стяжками 7. Горизонтальные каналы в блоках сообщаются с боковыми переливны­ми камерами 5, соединенными между собой шпильками 6. Патрубки 3 и 9 служат для ввода и вывода агрессивной, а патрубки 8 и 4 - неаг­рессивной среды.

Агрессивный теплоноситель, который нужно нагреть или охладить, подается по пат­рубку 3 через распределительную камеру 2 в вертикальные каналы блоков 1 и движется по этим каналам вниз, выходя из аппарата через распределительную камеру 2 и патрубок 9. На­гревающий (или охлаждающий) неагрессивный теплоноситель поступает в аппарат по патруб­ку 8 и движется по горизонтальным каналам блоков /, причем переход теплоносителя от одного блока к другому осуществляется через переливные камеры 5, в которых имеются пе­регородки. В результате достигается зигзаго­образное (многоходовое) движение неагрес­сивной среды по высоте аппарата.

Кожухотрубчатый углеграфитовый те­плообменник представляет собой вертикальный аппарат, состоящий из металлического кожуха / и трубного пучка 2 из графитопласта АТМ-1 (рис. 4.1.42). В верхней части аппарата, в месте сопряжения кожуха с подвижной трубной ре­шеткой 3, установлен сальник 4. Такая конст­рукция допускает свободное перемещение трубного пучка при температурных удлинениях. В качестве сальниковой набивки, как правило, используют графитизированный асбестовый шнур. Уплотнение герметизируют перемещени­ем нажимной втулки 5 затягиванием шпилек 6. Вход и выход агрессивной среды производится через верхнюю и нижнюю крышки 7, выпол­ненные из пропитанного графита. Самым рас­пространенным способом крепления графито - пластовых труб является соединение их с трубными решетками путем склеивания с по­мощью замазки типа арзамит-4. Для увеличе­ния прочности и плотности соединения отвер­стий в трубной решетке 3 концы теплообмен­ных трубок 2 выполняют конусными.

9 10 Рис. 4.1.41. Прямоугольно-блочный вертикальный теплообменник из неметаллических материалов

Рис. 4.1.42. Кожухотрубчатый углеграфитовый теплообменник

Агрессивный теплоноситель подается в аппарат сверху через штуцер в крышке 7 и движется по трубкам к выходному штуцеру в нижней крышке. Другой (неагрессивный) теп­лоноситель движется в межтрубном простран­стве, ограниченном кожухом / и трубным пуч­ком 2. В межтрубном пространстве установле­ны поперечные перегородки. Они предназна­чены для организации движения теплоносителя

В направлении, перпендикулярном к оси труб, и увеличения скорости теплоносителя в меж­трубном пространстве. Благодаря этому увели­чивается коэффициент теплоотдачи на наруж­ной поверхности труб.

Кожухоблочный теплообменный аппарат предназначен в основном для нагрева или ис­парения кислых агрессивных сред водяным па­ром. Основным рабочим элементом аппаратов этого типа служат цилиндрические блоки с центральным отверстием. В блоке просверлены две группы непересекающихся каналов: верти­кальные параллельные оси цилиндра и гори­зонтальные. На торцах блоков проточены кольцевые привалочные поверхности так, что при сопряжении по этим поверхностям между блоками образуются вихревые камеры. Аппа­рат собирают из нескольких одинаковых бло­ков, которые сверху и снизу закрывают графи­товыми распределительными крышками. В крышках от центра к периферии под углом просверлены шесть отверстий, равномерно расположенных по окружности. Через эти от­верстия агрессивная среда равномерно расте­кается по вертикальным каналам блока.

Графитовая часть аппарата помещена в металлический корпус, состоящий из отдель­ных царг. Уплотнение между блоками выпол­нено на прокладках из фторопласта (ФУМ), а уплотнение фланцев царг - на прокладках из паронита. В верхней части аппарата, в месте сопряжения с верхней графитовой крышкой для уплотнения установлены нажимная втулка и сальник. В качестве набивки сальника ис­пользуют графитизированный асбестовый шнур.

Греющий пар подается в кожух через штуцер и циркулирует по радиальным каналам и осевому центральному отверстию. Конденсат по мере охлаждения пара отводится через нижний штуцер. Полное опорожнение полости кожуха от жидкости производится через шту­цер в нижней чугунной плите аппарата.

Особенности теплового расчета углегра - фитовой теплообменной аппаратуры, а также справочные данные по коэффициентам линей­ного расширения, теплопроводности и тепло­передачи для различных марок графита приве­дены в монографиях [18, 23]. Расчет основных элементов теплообменников на прочность про­изводят по ГОСТ 14249. При этом нужно учи­тывать, что модуль упругости графитовых ма­териалов примерно на два порядка ниже, чем для углеродистых сталей, а временное сопро­тивление меньше в 30 раз.

Фторопластовые теплообменные аппа­раты - это трубчатые теплообменные аппара­ты из фторопласта погружного (тип П) и кожу - хотрубчатого (тип К) типов, предназначенные для нагрева, охлаждения или конденсации кор­розионных и особо чистых сред. Эти аппараты применяются в химической, фармацевтической и пищевой промышленности, а также при про­ведении процессов химической и электрохи­мической обработки маїериалов. Применяемые фторопластовые материалы (марок 4, 4Д, 4МБ) стойки практически во всех коррозионно- активных средах (соляной, серной, азотной, фосфорной и уксусной кислотах, водных рас­творах солей, электролитах и др.). Гидрофоб - ность (несмачиваемость) фторопластовой по­верхности способствует снижению отложений и облегчает их удаление.

В состав теплообменных аппаратов из фторопласта входят трубные пучки из труб диаметром 3 и 5 мм, с толщиной стенки соот­ветственно 0,4 и 0,6 мм Несмотря на невысо­кую теплопроводность фторопласта в теплооб­менных аппаратах благодаря малой толщине стенок достигаются достаточные коэффициен­ты теплопередачи, не изменяющиеся в процес­се эксплуатации. К недостаткам этих аппаратов можно отнести невысокое условное давление (до 1 МПа в трубном пространстве и до 0,6 МПа в межтрубном при температуре 20 °С) и значительную зависимость этого давления от температуры (при температуре 150 °С не более 0,25 МПа в трубном пространстве и 0,1 МПа в межтрубном пространстве). Учитывая малые внутренние диаметры трубок и эквивалентные диаметры трубного пространства, необходимо принимать во внимание степень загрязненно­сти механическими примесями сред, посту­пающих в аппарат (размер частиц не должен превышать 1/10 внутреннего диаметра трубок для трубного пространства и 1/20 эквивалент­ного диаметра для межтрубного пространства).

Теплообменные аппараты погружного типа предназначены для установки в емкостях открытого и закрытого типов и используются в качестве встроенных холодильников и нагрева­телей.

Погружной аппарат, показанный на рис. 4.1.43, включает плоский жесткий U-образный трубный пучок /, вваренный в трубные решетки 3. Трубный пучок выполнен в виде плоских кос, разделенных дистанцион­ными элементами 2. Вход и выход охлаждаю­щего (или нагревающего) теплоносителя осу­ществляется через штуцера 4 и 5. Узел крепле-

Рис. 4.1.43. Фторопластовый теплообменник погружного типа

Ния трубных решеток к корпусу емкости ана­логичен рассмотренному выше. Такой тепло - обменный аппарат может быть использован как самостоятельный, и как комплектующий эле­мент к кожухотрубчатому теплообменному ап­парату типа К.

Теплообменные кожухотрубчатые аппа­раты типа К предназначены для использования в качестве холодильников, нагревателей или конденсаторов. Конструктивные варианты ис­полнения трубных пучков следующие:

Прямые трубные пучки образованы пле­тением плоских кос с различным количеством трубок (исполнение 1);

U-образные трубные пучки выполнены в виде полых цилиндров, расположенных один в другом (исполнение 2);

В виде плоских кос, между которыми ус­тановлены дистанционные приставки (испол­нение 3).

Рекомендации по выбору конструктивных и технологических (температура, давление) па­раметров фторопластовых теплообменников приведены в справочнике [41]. Расчет прочно­сти трубных решеток и трубок нормирован, расчет на прочность цилиндрических обечаек аппаратов производится по ГОСТ 14249.