Теплообменники

Теплообменники, аппараты, в которых передается тепло от вещества с высшим тепловым потенциалом (греющее вещество— теплоноситель) к веществу с низшим тепловым потенциалом (нагреваемое вещество). Передача тепла происходит через ту или иную стенку, причем наиболее часто встречаются на практике следующие виды теплообмена: пар—жидкость, жидкость—жидкость, пар—пар, газ—газ, газ—жидкость, газ—пар и электроэнергия—жидкость. В последнее время делаются попытки применить в качестве теплоносителя пары ртути, дифенил и расплавленные соли, состоящие из смеси 6 частей хлорида алюминия А1₂С1₆, 3 частей поваренной соли NaCl и 1 части хлорида железа Fe₂Cl₆. В зависимости от того, какое вещество^- вводится в аппарат с высшим потенциалом и в каком состоянии входит и выходит нагреваемое вещество, Т. называются: а) подогревателями, бойлерами или решоферами, если греющее вещество в виде пара, газа, воды или какой-либо другой жидкости передает тепло воде или другой жидкости; которые выходят из аппарата с более высокой t°, чем вступили, не изменяя при том своих основных свойств;

б) теплоуловителями, если подогревается воздух за счет тепла насыщенного паром воздуха, выходящего из паровых аппаратов производства при атмосферном давлении; в) в о-дяными экономайзерам й, если вода подогревается за счет тепла отходящих дымовых газов из паровых котлов, двигателей внутреннего сгорания или из аппаратов производства (смотрите Экономайзеры); ^воздушными экономайзерами, или воздухоподогревателями, если воздух подогревается за счет тепла дымовых газов или за счет тепла пара или горячей воды, вступающих в аппарат с давлением выше атмосферного (смотрите Экономайзеры); д) котлами на отходящих газах, или утилизаторами, если в них вода превращается в пар за счет тепла отходящих из производства газов (например из вращающихся печей цементного, хромпикового и других производств); е) перегревателями свежего пара, когда он перегревается за счет тепла дымовых газов паровых котлов или отходящих газов из аппаратов производства; ж) перегревателями промеж у т о ч и о го пара, или вторичными пароперегревателями, если пар по выходе из ступени высокого давления паровых турбин снова перегревается за счет тепла дымовых газов, тепла перегретого пара или тепла какого-либо другого вещества; з) регуляторами перегретого п а‘ р а, когда за счет отдачи тепла насыщенному пару или воде понижается t° греющего пара; и) э л е к-трическими нагревательнымипри-борами, если нагрев того или иного вещества происходит за счет расхода электроэнер-

гии (смотрите Нагревательные приборы); к) электрическими паровыми котлами, когда вода превращается в пар за счет расхода электроэнергии; л) выпарными а π п а р а-_Во3а там и, или кипятиль никами, когда для увеличения концентрации жидкого или тестообразного вещества удаляется из него нек-рое количество влаги за счет тепла дымовых газов, пара, воды или химич. растворов (смотрите Выпаривание); м) сушилками (смотрите Сушка) при удалении влаги из твердых веществ; ^испарителями, дистилляторами или перегонными аппаратами, если вода или другое вещество превращается в пар за счет тепла пара, воды или другого вещества; о) конденсаторами, когда назначение Т. сводится к конденсированию охлаждаемого вещества; п) холодильниками, когда главная цель аппарата— охлаждать греющее вещество до нужной t° с переводом его нередко из парообразного или газообразного состояния в жидкое Вода (смотрите Холодильные машины).

Фигура 1.

Фигура 2.

При конструктивной оценке Т. следует принимать во внимание следующее. _____

1) Они должен быть такозы, ! чтобы вещества могли легко освобождаться от воздуха, в них содержащегося; воздух при этом должен автоматически удаляться из аппарата ; 2) расположение труб должен быть таково, чтобы конденсат пара удалялся с них, не затрагивая других труб; в противном случае на трубах ниже лежащих образуются водяные слои (пленка), значительно ухудшающие теплопередачу;

3) для избежания значительного отклонения капающего конденсата от вертикального направления энергией движения пара отдельные ряды трубок должен быть расположены более или менее наклонно к направлению парового потока; в соответствии с этим должен быть также установлены расстояния между отдельными рядами труб; 4) отверстия, через к-рые

Фиг. входит греющее вещество,должны быть таковы, чтобы была возможность быстрого распространения его во все стороны поверхности нагрева аппарата; 5) расположение труб должно соответствовать убыванию энергии движения пара или газа по мере прохода его через аппарат;

6) скорости движения вещества должны приближаться к предельно возможным для них;

7) вся система труб должна иметь возможность сврбодного расширения, иначе при большой

Фигура 4. Нагретая нефть.

Холодная нефть разнице Г греющего и нагреваемого веществ могут происходить расстройства вальцовок и разрывы труб; 8) приспособления для отвода образующегося конденсата должен быть таковы, чтобы не было подтопа аппарата; 9) очистка труб и других поверхностей с внутренней и с внешней сторон не должна представлять особых затруднений; 10) при применении теплоносителя в виде отработанного пара от насосов, паровых

Нагретая нефть

< — .ΐ-н

: —

^ —.χ*~^Ί

Холодная нефть¹

Фигура δ.

машин и паровых молотов Т. должны быть снабжены маслоотделителями (смотрите) для предохранения поверхностей нагрева от загрязнения налетами масла, значительно ухудшающими теплопередачу; 11) наилучшее направление движения греющего и нагреваемого веществ— противотоком; 12) каждый Т. должен быть снабжен той арматурой, которая предохраняла бы его от а; 13) изоляция Т. должна сво

дить до минимума потерю тепла в окружающую среду; 14) должна быть обеспечена возможность измерения давления и t°.

В зависимости от расположения труб подогреватели, бойлеры и решоферы называются вертикальными (фигура 1) и горизонтальными (фигура 2). В зависимости от того, завершается ли подогрев вещества в одном или в нескольких аппаратах, система называется о д н о к о р-

Фпг. 7.

Фигура 8.

п у с н о и или многокорпусной. При подогревателях большой мощности иногда вместо одного греющего вещества (фигура 3, А—свежий пар) применяют несколько греющих веществ

(фигура 3, Б—свежий и мятый пар). Иногда же вместо одного большого Т. делают несколько небольших Т. Такая система малых Т. имеет следующие преимущества: 1) они более легки в изготовлении, 2) чистка и ремонт одного Т. не нарушают работы остальных, 3) можно допускать бблыние скорости движения жидкостей, 4) расширения и сокращения от Г-ных воздействий в них меньше, 5) отдельные детали таких Т. (пучки труб, кожуха и прочие) могут быть нормализованы, причем стоимость запасного агрегата и запасных частей относительно уменьшается. Подогреватели, бойлеры и решоферы изготовляются из различных металлов, причем согласно правилам НЕТ от 24/VII 1923 г. относительно устройства, содержания и освидетельствования паро-приемников и других приборов и аппаратов, работающих под давлением газов и жидкостей выше атмосферного, чугун допускается только для Т., предназначенных к работе не свыше, чем при 6 Ыш. Трубы в подогревателях, бойлерах бода

Фигура 9.

тот же Т. может быть установлен вертикально. Такие Т. называются многоходовыми, причем в решоферах и в подогревателях для щелока

Задний нолпан Фигура 10.

f Передний нолпан и решоферах делаются или прямыми (фигура 1) или гнутыми (фигура 2). Диаметры труб разнообразны, причем наименьший (14—15 миллиметров) берется из условий возможности очистки труб.

Основные конструкции подогревателей таковы. а) Труба в трубе, или т. н. двойная труба, по схеме фигура 4. Внутренняя труба таких Т. редко бывает менее 50 миллиметров, тогда как корпус делается от 75 миллиметров и выше. В силу этого длина труб получается значительная, превосходя в нек-рых случаях 120 метров При отсутствии достаточно длинного помещения соединяют такие Т. последовательно. по схеме фигура 5. При отсутствии достаточного количества компенсирующих устройств (например сальников с уплотнениями) трубы произвольно изгибаются, перекрывая одна другую и тем ухудшая теплопередачу, б) Концен-трич. Т.-подогреватель (фигура 6) состоит из труб, вложенных одна в другую, но с направлением греющего и нагреваемого веществ т. о., чтобы получался противоток и чтобы последнее на всем пути находилось между двумя слоями греющего вещества. Ремонт и чистка таких Т. затруднительны, в) Т. с прямыми трубами жесткой конструкции (фигура 7);

число ходов делается до двенадцати. Для предотвращения расстройства вальцовок и для предохранения труб от разрывов при конструкциях по схеме фигура 7 де-лают иногда компенсаторы в виде пружинящего кольца (фигура 8).

г) Т. с прямыми трубами, но с возможностью свободного их расширения показаны на фигуре 9 и 10 и на фигуре 1. В первых двух конструкциях устроены двойные днища; подобные конструкции называются с «плавающей» или со «скользящей» головкой. В Т. же по фигура 1 нижние концы труб развальцованы в трубной доске, имеющей форму поршня. Сальник состоит из набивок а и b, между Фигура 12. к-рыми насажено железное кольцо с с отверстиями, посредине. В случае неплотностей в сальниках через небольшие отверстия кольца с выдувается наружу вода или пар, чем и избегается попадание пара в воду или обратно. Такой Т. предназначен для работы в 30 atm и выше. Чтобы предохранить от сми-нания пучок латунных труб, введена незакреплен-

Вода

Фигура 13.

ная распорная труба d. Последняя несколько короче других труб, но настолько, чтобы был некоторый выгиб латунных труб и не было ее сминания. При этом места ввальцовки не подвергаются усилиям, потому что давление полностью воспринимается незакрепленной

трубой, д) Т. с перпендикулярным расположением движения греющего и нагреваемого веществ строятся горизонтальными и вертикальными. Горизонтальный Т. этого типа показан на фигуре 11. Переход вещества из одной секции в другую происходит по се. Конструкция таких

Фигура 14.

проходам в корпу-Т. жесткая, что "и ограничивает длину труб, е) Т. с гнутыми трубами строятся по фигура 2 и фигура 12—14. Для предотвращения смешения греющего и нагреваемого веществ и при гну-

Фигура 16.

тых трубках делают Т. с двойными днищами (фигура 15). ж) Пластинчатые Т. состоят из литых элементов (фигура 16) в виде пластин, в к-рых г-~хг.х/. т

l/, : у у. л з

ребрами образованы ходы по стрелкам. Закрываются эти элементы пластинами с применением набивки. Элементы устанавливаются лапами а на общую раму и плотно сжимаются. з) Теплоуловители делаются трубчатые или пластинчатые. Пример последнего типа, по патенту инж. А. И. Таирова, показан на фигуре 17.

Корпуса подогревателей, бойлеров и решоферов имеют в большинстве случаев круглую форму, но делают их и прямоугольной формы из склепанных или сваренных листов. Трубы обычно укрепляются развальцовкой. В алюминиевых Т. для предотвращения неплотностей, возникающих вследствие теплового расширения, алюминиевые трубы вставлены в выпуклые отбортованные днища и по краям заварены (фигура 18). Перегородки делают обычно из легких металлических листов, а иногда перегородок не ставят, а обертывают трубки по спирали толстой проволокой. Для уплотнения перегородок, выполненных из металлич. листов, к корпусам приваривают по две полоски так, чтобы образовался паз. В последний сначала вкладывают полоски дерева, а потом уже металлич. лист. Дерево, разбухая, дает достаточное уплотнение. При наличии нескольких перегородок в Т. для предохранения перехода тепла с горячей стороны перегородки на противоположную выполняют иногда перегородки двойными на расстоянии ок. 25 миллиметров, заполняя промежуток изолирующим веществом (например в нефтяных Т. неподвижным слоем

Фигура 18.

Фигура 19.

нефти). Во избежание попадания конденсата на нижележащие трубы горизонтальных Т.-подогревателей кроме основных перегородок а (фигура 19) рекомендуется устанавливать крыши b и желоба с. В вертикальных Т. для защиты от стекания конденсата по трубам можно устана-

=ЕН

Фигура 20.

Фигура 21.

вливать разъемные кольца а (фигура 20). Если перегородки наклонные (фигура 21), то для стекания конденсата делают отверстия а.

По указанным выше правилам НКТ от 24/VII1923 г. Т. должны подвергаться гидра-влич. или воздушному испытанию с соблюдением следующих правил, а) Пароприемники, работающие при давлении не свыше 10 atm, испытываются давлением, превышающим рабо-

чее на 50% и не менее как на 1 atm для рабочих давлений до 2 atm. б) Пароприемники, работающие под давлением свыше 10 atm, испытываются давлением, превышающим рабочее на 5 atm. в) Аппараты, работающие под давлением газов и жидкостей не свыше 100 atm, испытываются давлением, превышающим рабочее на 50% и не менее как на 1 atm для рабочих давлений до 2 atm. г) х^ппараты, работающие под давлением свыше 100 atm,испытываются давлением, превышающим рабочее на 50 atm. Срок гидравлич. испытания, производимого технич. инспекцией ВЦСПС после первоначального при пуске Т., должен быть не реже одного раза в шесть лет. Также дол кны производиться технической инспекцией внутренние осмотры не реже о щого раза в три года и наружные осмотры не реже одного раза в год. Каждый Т. должен быть снабжен арматурой и гарнитурой, установленными правилами ВЦСПС.

Механич. расчет Т. производится по ф-лам для сосудов, находящихся под давлением, причем при выборе диаметра и длины труб необходимо принимать во внимание допустимую стрелу прогиба.

Тепловой расчет подогревателей, бойлеров, решоферов и теплоуловителгй производится по следующим ф-лам: а) количество тепла, воспринятое в 1 ч. нагреваемым веществом,

Qi-Deifit-h); (1)

б) поверхность нагрева

Эта же формула с достаточной для практики точностью пишется так:

__Q_____-Dс (t2 — 11)_^

В этих ф-лах: D—количество вещества в килограммах, нагреваемого в Т. в 1 ч.; с—средняя теплоемкость нагреваемого вещества; ί_χ и t₂—темп-ры нагреваемого вещества при вступлении его в Т. и при выходе из Т.; к_по—коэф. теплопередачи (Cal/м² час °С); Н_по—поверхность нагрева Т. (ж²); Т₁—темп-pa в °С греющего вещества при входе в Т. Баланс тепла подогревателя, бойлера, решофера и теплоуловителя, отнесенный к 1 килограмм греющего вещества, пишется так:

Qp ⁼ + Q2 + Qa* (4)

В этой ф-ле: Q_p—теплосодержание 1 килограмм греющего вещества при входе его в аппарат (Cal/кг); Q₁—количество тепла, воспринятое в 1 ч. нагреваемым веществом (Cal/ч.); В—количество греющего вещества, прошедшее через Т. в 1ч.; Q₂—теплосодержание греющего вещества при выходе его из аппарата (Cal/кг); Q_B—потеря в окружающую среду Т. (Cal/кг). Значения баланса тепла в % выражаются так:

100 % =

QA 100 Q₂ · 100 Q3 · ЮО

, -В Qp Qp Qp

(5)

Лит.: Вальке Г., Рационализация теплового хозяйства, пер. с нем., М.—Л.? 1931; д е Г р аль Г., Использование отбросной и избыточной энергии, пер. с нем., М.—Л., 1931; ГаусбрандЭ., Выпаривание, конденсация и охлаждение, пер. с нем., М., 1929; Грановский Р., Котельные установки, Л., 1933; Гирш М., Сушка и сушилки, М., 1929; Григорьян Г., Вязкие мазуты^ их хранение, транспорт и применение в качестве топлива, М.—Л., 1932; Денисевич В., Примерные расчеты аппаратуры нефтеперегонных з-дов, Б_аКу—м., 1932; Зуев М., Энциклопедия свеклосахар ного производства, Киев—М., 1924; Иванов В., Паровые котлы и техника безопасности котельных установок, М., 1931; КаллашФ. иСемино А., Расчет и работа теплообменных аппаратов, пер. с англ., М.—Л., 1932; Кирш К., Котельные установки, М., 1926; его же, Атлас котельных установок, М., 1923; Л а г о в с к и и А.,^гТеплосиловые установки центральных электростанций, М.—Л., 1932; Тен-Бош, Теплопередача, пер. с нем., М., 1930; Шнейдер Л., Использование отработанного пара,пер. с нем.,М., 1927; Яблонский В.иШуми-лов И., Практический курс по теории теплопередачи, М.—Л., 1932; Гриненко Р., Применение подогрева питательной воды в паровозах и соответствующие типы подогревателей, «ИТИ», 1925, 1 (3); Гродский И., Регенеративный процесс в паровых турбинах, «Тепло и сила», М., 1930, 8—9; Якимов Л., Бойлера в теплофикации, их расчет и конструкция, там же, М., 1932, Ц К и с е л ь-гофА.иКотелевскийЮ.,К определению коэф-та теплопередачи для основных видов теплообмена, «Химическое машиностроение», Харьков, 1932, i; Hiitte, Спр. инженера, 1931; Теплотехника, Настольная книга, 1928; G а г d о n R., Steam a. Water for Process Negrug, «Chemical a. Metallurgical Engineering», N.Y.,1932;KrebsO., Der aufrechtstehende Warmeaustauschapparat d. Bensol-destillieranlage, «Die chemische Fabrik», B., 1932, 4—5; Wiilfingoff F., Einiges uber Warme verbacben u. Austauschen in d. chemischen Industrie, ibid., 1932, 11; Muller B., Die Helzdampf, Kiihlung u. lhre Apparate, «Die Warme», В., 1932, 20. А. Ставровский,