СПИРАЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ

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. Теплообменники компактны, их конструкция преду­сматривает возможность 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.

В СССР первые работы по проектированию, освоению произ­водства и испытанию опытных образцов спиральных теплообмен­ников проводились в 1935—1939 гг. в ЭКИХИММАШе и ГИП — РОАЗОТМАШе. В дальнейшем, работы по разработке новых типов спиральных теплообменников и освоению их производства проводились главным образом УкрНИИХИММАШем и Сум­ским машиностроительным заводом им. Фрунзе. В 1966 г. утвержден разработанный УкрНИИХИММАШем ГОСТ на стальные теплообменники, в соответствии с которым в СССР выпускаются теплообменники двух типов и семи видов испол­нения.

За рубежом спиральные теплообменники выпускают фирмы Альфа-Лаваль (Швеция), APV (Англия и США), Рока аппара — тенбау, Феникс-Рейнрор, Руршиль (ФРГ), Петрогаз (Голлан­дия), Кокиво сайсакушо (Япония) и др.

Спиральные теплообменники различных конструкций нашли применение для систем жидкость — жидкость, для систем жид­кость — пар в качестве конденсаторов, нагревателей и испарите­лей, для охлаждения и нагревания паро-газовых смесей. Спи­ральные теплообменники специальной конструкции могут
компоноваться с ректификационными колоннами и применяться в качестве дефлегматоров.

Рис. 141. Схема движения жидкости в спиральном теп­лообменнике

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 раствор синтетического во­локна «нитрон») испытывался спиральный теплообменник со сквозными каналами для прядильного раствора и спиральным каналом, по которому поступали пар или охлаждающая вода. Спиральные теплообменники могут успешно приме­няться для шламов и жидкостей, со­держащих волокнистые материалы.

Применение специальных теплообмен­ников для газов ограничено малым по­перечным сечением канала.

Спиральные теплообменники при­меняются в гидролизной промышленно­сти в качестве дефлегматоров, рекупе­раторов тепла в отбелочных отделени­ях, конденсаторов терпентиновых па­ров и поверхностных конденсаторов в выпарных отделениях; в химической промышленности — в качестве тепло­обменников при производстве серной, азотной и фосфорной кислот, в качест­ве конденсаторов для различных орга­нических соединений; в коксогазовой промышленности — для охлаждения аммиачной воды, бензола и поглотительного масла, в алюминиевой промышленности — в качестве теплообменников для алюминатных растворов; в сахарной 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) (рис. 141).

По видам уплотнения торцов каналы делятся на три основ­ных типа.

1. Тупиковые каналы, каждый из которых заваривается с противоположной стороны при помощи вставленной ленты (см. рис. 142, а). Такой способ уплотнения исключает возможность смешения теплоносителей при прорыве прокладки. После сня­тия крышек оба канала легко подвергаются чистке. Этот способ уплотнения каналов наиболее распространен.

2. Глухие каналы, в которых канал заваривается на торцах с обеих сторон (рис. 142, б). Недостаток этого типа уплотнения заключается в невозможности чистки каналов.

3. Сквозные каналы, открытые с торцов (рис. 142, в, г). Уплотнение достигается при помощи манжет U-образного сече­ния или листового прокладочного материала. Каналы такого типа легко поддаются чистке, но основной их недостаток заклю­чается в возможности перетока теплоносителя из одного канала в другой.

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

Рис. 142. Уплотнение торцов каналов:

тупиковых.

к. шдкоП;

глухих, в — сквошых, плотненных листовой иро — сквозны. х. уплотненных U-образнон прокладкой

теплообменников к одной из лент перед навивкой приваривают штифты. Кроме создания жесткости, штифты фиксируют рас­стояние между спиралями.

Согласно ГОСТу 12067—66 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 (3 ат) —2 мм, до 0,6 МПа (6 ат) — 3 мм.

По ГОСТу 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. 143, а); горизонтальный теплообменник на цапфах для жидкостей (рис. 143, б); вертикальный теплообменник на цапфах для конденсации паров (рис. 144, а) вертикальный теп­лообменник па цапфах для паро-газовой смеси (рис. 144, б).

-**£ в)

Рис. 143. Горизонтальные спиральные теплообменники с тупиковыми каналами (тип 1):

и — на лапах, о — на цапфах

Рис. 144. Вертикальные спиральные теплообменники с ту­пиковыми каналами (тип 1):

д. ія паров (а) и для паро газовых смесей (о)

Тип 2 выпускается в трех исполнениях: горизонтальный на

лапах; горизонтальный на цапфах; вертикальный на лапах (рис. 145). # .

Спиральные теплообменники изготовляют из углеродистой стали ВМСтЗ и из сталей Х18Н10Т, 0Х18Н10Т и Х17Н12М2Т.

Є

К

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

f

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

Л

PlfrS7.

/1-/1

Теплообменники спираль­ные для жидкости состоят из корпуса спирали с тупиковыми каналами, двух плоских кры­шек по торцам с прокладками, четырех штуцеров для входа и выхода теплоносителей, два из которых установлены в цент­ральной части крышки, а два— в верхней части корпуса на коллекторах.

Корпус спирали выполняет­ся на лапах для установки не­посредственно па фундаменте в горизонтальном исполнении или на цапфах для установки в любом положении: вертикаль­ном, горизонтальном и на­клонном.

Рис. 145. Вертикальный теплообмен — Принцип работы СПИраль-

ник на лапах с глухими каналами НЫХ ТЄПЛООбмЄННИКОВ ДЛЯ ЖИД-

(™п 2) костей заключается в следую­

щем: первый теплоноситель по­ступает под давлением через штуцер на одной из крышек в ка­меру центровика, а затем по каналу спирали — в коллектор и через штуцер 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, 266

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 паро-газовая 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 стекает по спирали в штуцер для конденсата, расположенный у нижней стороны канала. Ос­татки неконденсировавшегося пара или паро-газовой 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 через наружный коллектор и движется по спи­ральному каналу к центру, 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.

За рубежом спиральные теплообменники изготовляют из уг­леродистой и коррозионностойкой сталей, хастеллоя В и С, ни­келя и никелевых сплавов, алюминиевых сплавов и титана.

При относительно высоких давлениях в каналах часть зару­бежных фирм в целях снижения веса и придания достаточной прочности навивку теплообменников производят из стали раз­ной толщины. Внутренние витки с меньшим радиусом навивают­ся из более тонкого материала, а наружные витки с большим радиусом — из металла большей толщины. 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.

Определение размеров спирального теплообменника. Для оп­ределения геометрических размеров спирального теплообменни­ка после теплового расчета и определения величины рабочей

Рис. 146. Схема к расчету длины ка­нала теплообменника:

/ — наружный канал; 2 — внуїренний

поверхности исходят из разме­ров внутреннего радиуса спи­ралей (по ГОСТу 12067—66 ра­диус равен 150 мм), ширины канала, т. е. расстояния между листами, и ширины ленты, из которой производится навивка.

Поверхность нагрева спи­рального теплообменника, по­лученная па основании тепло­вого расчета, связана с разме­рами спиралей соотношением

F — 2Lbe, (292)

где L — эффективная длина спирали от точек т и п до точек М и N (рис. 146);

Ье — эффективная ширина спирали, равная ши­рине навиваемой леп­ты за вычетом толщи­ны входящих внутрь спирали металлических лент или прокладок:

be ^ b—20 мм,

где Ь — ширина полосы.

Эффективную длину спирали определяют с учетом того, что наружный виток спирали не участвует в передаче тепла.

Каждый виток строится по двум радиусам: первый виток по радиусам

d. * г = —; r2 = rt + t,

где t — 6 + бет — шаг спирали;

(5 —ширина канала (зазор между спиралями); бет — толщина листа.

Длина первого витка

/, = 2л = д(гі + r+t) = 2лг, + 2л/- 0,5.

Длина второго витка /2 = 2яг2 + 2лі. 2,5. Длина п-го витка /п = 2лгп + 2nt(2n—1,5). Суммируя, получим длину одной спирали

L — li + /2 + ••.+/„ = 2л г{п + ліп(2п— 1), (293)

откуда число витков, необходимое для получения эффективной длины, определяем по уравнению

Число витков обеих спиралей

(294)

(295)

где d = 2r + t — внутренний диаметр спирального теплообмен­ника.

Наружный диаметр спирали с учетом толщины листа опреде­ляется по формуле

(296)

D = d + 2Nt + 6СТ.

Действительная длина листов спиралей между точками т и т’ для спирали / и между точками пип’ для спирали II (фиг. 146) определяется по соотношениям:

(297)

(298)

L — L — j пГ) — j — qі;

4

L і = L + — nD — V

4

Комментирование и размещение ссылок запрещено.

Комментарии закрыты.

recuperatio.ru