Ахметов и др. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа (2006)

Рис. 2.59. Пластины с диагональным (а) и односторонним (б) расположением отверстий

Пластины с односторонним расположением отверстий взаимозаменяемы. При сборке правые пластины получают поворотом их относительно левых на 180°. Левые и правые пластины с диагональным расположением отличаются расположением прокладки и поэтому не являются взаимозаменяемыми.

Кроме рассмотренных теплообменных пластин в аппаратах используют граничные пластины, устанавливаемые на концах пакетов.

Серийновыпускаемыепластинчатыетеплообменникикомплектуют пластинами, штампованными из листового металла толщиной 1 мм. Гофры пластин обычно имеют в сечении профиль равностороннего треугольника высотой 4…7 мм и основанием длиной 14…30 мм (для вязких жидкостей до 75 мм). Гофры выполняют горизонтальными, «в елочку», под углом к горизонтали и др.

Материал пластин — оцинкованная или коррозионно-стойкая сталь, титан, алюминий, мельхиор.

Вразборныхтеплообменникахпластины2(рис.2.60)обычнокрепят

	скобой 3 на верхней штанге 1.
	Нижняя штанга не несет на-
	грузкиотмассыпластинислу-
	жит лишь для фиксации их
	в заданном положении. Та-
	кое закрепление пластин по-
	зволяет легко извлечь их из
	пакета или вставить в него
	без снятия подвижной плиты	Рис. 2.60. Узел крепления пластины на верхней штанге:
	и остальных пластин.
		1 — верхняя штанга; 2 — пластины; 3 — скоба

131

Рис. 2.61. Прокладка пластинчатого теплообменника

Прокладки пластинчатых теплообменников (рис. 2.61) изготовляют из резины формованием и укрепляют впазупластинынаклею.Стойкииприжимные плиты пластинчатых теплообменников изготовляют из углеродистых сталей толщиной 8…12 мм.

К недостаткам пластинчатых теплообменников следует отнести невозможность их использования при давлении более 1,6 МПа.

2.3.8. Спиральные теплообменные аппараты

Спиральные теплообменники получили в промышленности сравнительно широкое распространение, что объясняется рядом важных преимуществ их по сравнению с теплообменными аппаратами других типов.

Спиральные теплообменники могут изготовляться из любого рулонного материала, подвергаемого холодной обработке и свариванию. Теплообменникикомпактны,ихконструкцияпредусматриваетвозможность полного противотока. Площадь поперечного сечения каналов по всей длине остается неизменной, и поток не имеет резких изменений направлений, благодаря чему загрязнение поверхности спиральных теплообменников меньше, чем теплообменных аппаратов других типов, кроме того, ряд конструкций их позволяет проводить сравнительно легкую очистку в случае, не требующем для удаления осадка механического воздействия. Гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников при одинаковой скорости движения жидкости меньше, чем у кожухотрубчатых.

Спиральные теплообменники различных конструкций нашли применение для систем жидкость–жидкость, для систем жидкость–пар

132

Рис. 2.62. Схема движения жидкости в спиральном теплообменнике

в качестве конденсаторов, нагревателей и испарителей, для охлаждения и нагревания паро-газовых смесей. Спиральные теплообменники специальной конструкции могуткомпоноватьсясректификационными колоннами и применяться в качестве дефлегматоров.

Одно из назначений спиральных теплообменников — нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей. Так как вязкая жидкость проходит по одному каналу, то устраняется проблема равномерного распределения вязкой жидкости по трубам. Нами для вязких жидкостей (прядильный растворсинтетическоговолокна«нитрон»)

испытывался спиральный теплообменник со сквозными каналами для прядильного раствора и спиральным каналом, по которому поступали пар или охлаждающая вода (рис. 2.62). Спиральные теплообменники могут успешно применяться для шламов и жидкостей, содержащих волокнистыематериалы.Применениеспециальныхтеплообменниковдля газов ограничено малым поперечным сечением канала.

Спиральныетеплообменникиприменяютсявгидролизнойпромышленности в качестве дефлегматоров, рекуператоров тепла в отбелочных отделениях,конденсаторовтерпентиновыхпаровиповерхностныхконденсаторов в выпарных отделениях; в химической промышленности –

вкачестве теплообменников при производстве серной, азотной и фосфорной кислот, в качестве конденсаторов для различных органических соединений; в коксогазовой промышленности – для охлаждения аммиачнойводы, бензолаи поглотительного масла, в алюминиевойпромышленности — в качестве теплообменников для алюминатных растворов;

всахарной и пищевой промышленности — для нагрева и охлаждения раствора сахара и фруктовых соков.

Спиральный теплообменник представляет собой два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки — керна.

По видам уплотнения торцов каналы делятся на три основных типа (рис. 2.63):

— тупиковые каналы, каждый из которых заваривается с противоположной стороны при помощи вставленной ленты, как показано на рисунке 2.63а. Такой способ уплотнения исключает возможность

133

смешения теплоносителей при прорыве прокладки. После снятия крышек оба канала легко подвергаются чистке. Этот способ уплотнения каналов наиболее распространен;

—глухие каналы, в которых канал заваривается на торцах с обеих сторон, что видно на рис. 2.63б. Недостаток этого типа уплотнения заключается в невозможности чистки каналов;

—сквозные каналы, открытые с торцов (рис. 2.63в, г). Уплотнение достигается при помощи манжет U-образного сечения или листового прокладочного материала. Каналы такого типа легко поддаются чистке; основной их недостаток заключается в возможности перетока теплоносителя из одного канала в другой.

Рис. 2.63. Уплотнение торцов каналов:

а— тупиковые; б— глухие; в— сквозные, уплотненные листовой прокладкой; г— сквозные, уплотненные U-образной прокладкой; 1, 2 и 3 — уплотнители; 4 — крышка

В конструкциях теплообменников встречаются и различные комбинации вышеуказанных каналов.

Для придания спиральным теплообменникам жесткости, особенно при давлении выше 0,3 МПа (3 кгс/см2), в большинстве теплообменников к одной из лент перед навивкой приваривают штифты. Кроме созданияжесткости,штифтыфиксируютрасстояниемеждуспиралями.

Согласно ГОСТ 12067 навивка спиральных теплообменников производится из рулонной стали шириной от 0,2 до 1,5 м, поверхность нагрева теплообменников от 3,2 до 100 м2, ширина канала 8 или 12 мм, давление до 1 МПа (10 кгс/см2). Толщина стенок при давлении до

0,3 МПа — 2 мм, до 0,6 МПа — 3 мм.

134

Спиральные теплообменники выпускаются двух типов; тип 1 с тупиковыми каналами (с крышами) и тип 2 с глухими каналами (без крышек). Тип 1 выпускается в четырех исполнениях: горизонтальный теплообменник на лапах для жидкостей (рис. 2.64а); горизонтальный теплообменник на цапфах для жидкостей (рис. 2.64б); вертикальный теплообменник на цапфах для конденсации паров (рис. 2.64в); вертикальный теплообменник на цапфах для паро-газовой смеси (рис. 2.64г).

Рис. 2.64. Спиральные теплообменники с тупиковыми каналами (тип 1):

а — горизонтальные на лапах для жидкостей; б — горизонтальные на цапфах для жидкостей; в— вертикальные на цапфах для конденсации пара; г— вертикальные на цапфах для паро-газовых смесей

Тип 2 выпускается в трех исполнениях: горизонтальный на лапах; горизонтальный на цапфах; вертикальный на лапах (рис. 2.65).

Спиральные теплообменники изготовляют из углеродистой стали Ст3 и из легированных марок 12Х18Н10Т, 0Х18Н10Т и Х17Н12М2Т.

Для изготовления крышек может применяться двухслойная сталь марок Ст3+12Х18Н10Т и 20К + Х17Н13М2Т и др.

В качестве прокладок применяют резину, паронит, фторопласт, асбестовый картон и др.

Теплообменники спиральные для жидкости состоят из корпуса спирали с тупиковыми каналами, двух плоских крышек по торцам с прокладками,четырехштуцеровдлявходаивыходатеплоносителей,дваиз которых установлены в центральной части крышки, а два — в верхней части корпуса на коллекторах.

135

Рис. 2.65. Вертикальный теплообменник на лапах с глухими каналами (тип 2)

Корпус спирали выполняется на лапахдляустановкинепосредственно на фундаменте в горизонтальном исполненииилинацапфахдляустановкивлюбомположении:вертикальном, горизонтальном и наклонном.

Принцип работы спиральных теплообменников для жидкостей заключается в следующем: первый теплоноситель поступает под давлением через штуцер на одной из крышек вкамеруцентровика,азатемпоканалу спирали—вколлекторичерезштуцер выходит из теплообменника. Второй теплоноситель через штуцер коллектора поступает в смежный канал спирали противотоком по отношению к первому теплоносителю и выходит через штуцер второй крышки.

Спиральные теплообменники для конденсации паров изготовляются только в вертикальном варианте и состоят из корпуса спирали с тупиковыми каналами, двух крышек (верхней — с конусом для подвода

пара к каналам и нижней с прокладками для уплотнения каналов), четырех штуцеров для входа и выхода теплоносителей, два из которых установлены в крышках, а два — в боковых коллекторах, причем один из них для вывода конденсата установлен в нижней части коллектора.

Спиральные теплообменники для парогазовой смеси отличаются от теплообменников для конденсации паров только тем, что они имеют еще штуцер для выхода газов после отделения от них конденсата, который установлен в середине коллектора, на котором имеется штуцер для выхода конденсата.

Вертикальное расположение каналов конденсаторов исключает образование пробок конденсата и гидравлические удары. Пар или парогазовая смесь поступает в аппарат через штуцер большого диаметра одновременно в большинство каналов, кроме нескольких крайних наружных. Образующийся конденсат стекает по вертикальной стенке каналов, собирается в нижней части каналов теплообменника и сте-

136

кает по спирали в штуцер для конденсата, расположенный у нижней стороны канала. Остатки не конденсировавшегося пара или паро-га- зовой смеси проходят несколько наружных витков канала по спирали и после охлаждения отводятся через штуцер на коллекторе тупиковых каналов.

Гидравлическое сопротивление каналов по паровой стороне невелико вследствие достаточно большого поперечного сечения каналов, включенных на входе пара параллельно. Охлаждающая среда подается черезнаружныйколлекторидвижетсяпоспиральномуканалукцентру, откуда выводится через штуцер на нижней крышке.

Спиральные теплообменники могут выполняться для движения теплоносителей по спиральному потоку, по поперечному, пересекающему спираль потоку и по комбинированному потоку, сочетающему поперечный и спиральный поток. Конструктивное оформление таких теплообменников может быть разнообразным.

Зарубежные фирмы навивку спиральных теплообменников производят из рулонного материала шириной от 0,1 до 1,8 м и толщиной от 2 до 8 мм. Диаметр сердечника (керна) 200… 300 мм. Ширина канала от 5 до 25 мм, поверхность нагрева выпускаемых теплообменников от 0,5 до 160 м2. Для получения больших поверхностей теплообменники могут быть соединены в блоки.

Зарубежомспиральныетеплообменникиизготовляютизуглеродистойикоррозионностойкойсталей,хастеллояВиС,никеляиникелевых сплавов, алюминиевых сплавов и титана.

При относительно высоких давлениях в каналах часть зарубежных фирм в целях снижения веса и придания достаточной прочности производитнавивкутеплообменниковизсталиразнойтолщины.Внутренние витки с меньшим радиусом навиваются из более тонкого материала, анаружныевиткисбольшимрадиусом—изметаллабольшейтолщины. Полотнища разной толщины свариваются под углом, для того чтобы более жесткий шов не мешал навивке спирали.

В ряде случаев спиральные теплообменники конструируют с расчетом на применение анодной антикоррозионной защиты или защитных покрытий.

2.3.9. Пластинчато-ребристые теплообменники

Пластинчато-ребристые теплообменники (теплообменники с вторичными поверхностями) нашли широкое распространение в химической промышленности в качестве теплообменников, конденсаторов, испарителей для чистых газов и жидкостей, в том числе высоковязких.

137

Рис. 2.66. Детали элемента пластинчато-ребристого теплообменника

Их применяют главным образом в крупных установках по разделению методом глубокого охлаждения воздуха, углеводородных газов, в установках для сжижения и ректификации водорода.

Широкое распространение пластинчато-ребристые теплообменники получили благодаря своей компактности, достигающей 2000 м2 поверхности теплообмена на 1 м3 объема теплообменника, что во много раз превышает компактность всех остальных видов теплообменников. В пластинчато-ребристых теплообменниках возможно одновременно

водном блоке проводить теплообмен между четырьмя и более теплоносителями,чтодостигаетсясоответствующейконструкциейколлекто- ров.Особенновыгодноприменятьпластинчато-ребристыетеплообмен- никивкачествереверсивных,вкоторыхчастоприходитсярегулировать температурные напоры рециркуляцией одного из потоков, что находит широкое применение в установках глубокого холода.

Водном и том же теплообменнике расстояние между пластинами, а также тип оребрения могут быть различны, что позволяет регулировать сопротивление при прохождении потоков через теплообменник

взависимости от расхода теплоносителей и их давления.

Масса и теплоемкость пластинчато-ребристых теплообменников намного меньше, чем остальных типов теплообменников такой же поверхности, в связи с тем что основная часть поверхности выполняется из тонких металлических листов. Малая теплоемкость теплообменника очень важна при переменном переключении их и необходимости сублимации примесей, выделяющихся на поверхности теплообмена. По данным зарубежных фирм, применение в установках глубокого холода пластинчато-ребристых теплообменников вместо регенераторов

с насыпной насадкой сокращает габаритные размеры аппарата в 5 раз и его вес в 15 раз.

Стоимость единицы поверхности теплопередачи пластинчато-ребристых теплообменников при их серийном изготовлении значительно ниже той же стоимости теплообменников других типов.

Существуют различные типы пластинчатых теплообменников с вторичными поверхностями. На рис. 2.66 показаны детали элемента пластинча- то-ребристого теплообменника: между

138

двумя гладкими пластинами расположен гофрированный лист, пространство с двух сторон закрыто боковыми уплотнениями. Поставленные один на другой, такие элементы образуют пакет теплообменника. После сборки необходимого количества элементов в пакет при помощи специальных приспособлений производится припайка гофров к гладкой пластине в местах касания пластин. Таким образом получается оребренная теплообменная поверхность, в которой теплоноситель разбивается на большое число потоков. Схемы движения теплоносителей в пакете могут быть различные: прямоток, противоток (рис. 2.67) или перекрестный ток (рис. 2.68).

Рис. 2.67. Пакет противоточного	Рис. 2.68. Пакет перекрестноточного
теплообменника	теплообменника

Дополнительныетеплообменныеповерхности(ребра),находящиеся между гладкими поверхностями, могут быть (рис. 2.69):

—гладкими (непрерывными): ребра изготовлены из гофрированной тонкой полосы и припаяны к обеим гладким пластинам (рис. 2.69а);

—волнистыми (рифлеными): ребра образуют волнистую линию вдоль всего движения теплоносителя, к этому же типу относятся пластины с зигзагообразными ребрами (рис. 2.69б);

—прерывистыми,смещеннымиодноотносительнодругого(рис.2.69в);

—чешуйчатыми (жалюзными): на ребрах такой же формы, как и гладкие ребра, имеются прорези, расположенные поперек хода ребра; прорезь не доходит до вершин ребер; края прорези отогнуты в одну или в разные стороны и создают таким образом как бы чешую на ребре (рис. 2.69г));

—стерженьковыми (шиповыми): ребра изготовлены из тонкой проволоки и расположены в шахматном или коридорном порядке перпендикулярно гладким пластинам; шипы могут быть изготовлены

139

	как цилиндрическими,
	так и обтекаемой формы,
	когдазадняякромкашипа
	заостренная; однако из-за
	сложности изготовления
	насадка этого типа при-
	меняется сравнительно
	редко.
	Взависимостиотколи-
	чествапротекающихчерез
	теплообменник теплоно-
	сителей и их свойств рас-
Рис. 2.69. Схемы пластинчато-ребристых поверхностей	стояния между гладкими
с ребрами:	пластинамиводномитом
а — гладкими (непрерывными); б — волокнистыми; в — пре-	жетеплообменникемогут
рывистыми; г — чешуйчатыми
	быть различны.

При конструировании пластинчато-ребристых теплообменников необходимо обеспечить равномерное распределение потоков внутри блока и между блоками. Это достигается применением многоходовых коллекторов, т.е. образованием параллельных каналов при помощи установки в коллекторе перегородок.

Наиболее широко применяемыми материалами для пластинчаторебристых теплообменников являются алюминий и его сплавы. Кроме того, эти теплообменники выполняются из стали, титана, сплавов меди и других металлов.

Для изготовляемых из алюминиевых сплавов пластинчато-ребрис- тых теплообменников расстояние между гладкими листами (высота гофра) составляет от 3 до 15 мм. Для жидкостей и конденсирующихся паров обычно используют ребра высотой от 3 до 7 мм, а более высокие ребра используются для газов. Алюминиевые листы имеют толщину от 0,7 до 1,5 мм, а толщина металла, из которого изготовляют ребра, колеблется от 0,1 до 0,4 мм и в редких случаях достигает 0,8 мм. В этих теплообменниках удельная поверхность достигает 900…1500 м2 на 1 м3 объема пакета. На 100 мм ширины пакета приходится от 40 до 70 ребер. В теплообменниках с гладкими ребрами толщиной 0,1 мм число ребер на 100 мм ширины пакета достигает до 120, а удельная поверхность доходит до 2500 м2/м3. Для кожухотрубчатых теплообменников этот параметр составляет от 40 до 150 м2/м3.

Максимальный объем пакета теплообменника зависит от условий пайки и обычно не превышает 1 м3. Необходимая поверхность тепло-

140