Учебно-методический комплекс по предмету обсуждена на заседании кафедры «Химическая технология»

Перегородки, прокладки. В кожухотрубчатых теплообменни­ках устанавливают поперечные и продольные перегородки.
Поперечные перегородки, размещаемые в межтрубном про­странстве теплообменников, предназначены для организации дви­жения теплоносителя в направлении, перпендикулярном оси труб, и увеличения скорости теплоносителя в межтрубном пространстве. В обоих случаях возрастает коэффициент теплоотдачи на наруж­ной поверхности труб.
Поперечные перегородки устанавливают и в межтрубном пространстве конденсаторов и испарителей, в которых коэффи­циент теплоотдачи на наружной поверхности труб на порядок выше коэффициента на их внутренней поверхности. В этом случае перегородки выполняют роль опор трубного пучка, фиксируя трубы на заданном расстоянии одна от другой, а также умень­шают вибрацию труб.
Вибрация труб обычно не вызывает серьезных неприятностей, если теплоноситель в межтрубном пространстве является вязкой жидкостью и достаточно хорошо демпфирует колебания труб. Известны, несколько конструкций поперечных перегородок: с сегментным (рис. 5.1, а), секторным (рис. 5.1, б) и щелевым (рис. 5.1, в) вырезами, с чередованием дисков и колец (рис. 5.1, г).
Наиболее широко в мировой практике применяют сегментные перегородки. Высота вырезаемого сегмента равна примерно 1/3 диаметра аппарата, а расстояние между перегородками - около 0,5 диаметра аппарата.
Аппараты со сплошными пере­городками используют обычно для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору (около 1,5 мм) между тру­бой и перегородкой (рис. 4.1, д). В зазорах между перегородкой и трубами поток сильно турбулизуется, что приводит к уменьшению толщины ламинарного пограничного слоя и, как следствие, увеличению коэффици­ента теплоотдачи на наружной поверхности труб.
Интенсификация теплообмена поперечными перегородками может значительно снижаться из-за утечек теплоносителя в за­зорах между корпусом и перегородками. Для уменьшения утечек устанавливают следующие ограничения. При наружном диаметре кожуха аппарата не более 600 мм зазор между корпусом и перегородкой не должен превышать 1,5 мм. В остальных случаях диаметр поперечных перегородок выбирают по соответствующим нормативным документам.

Для уменьшения зазоров между корпусом и поперечными перегородками иногда используют упругие уплотняющие кольца 1, закладываемые в паз перегородки. В межтрубном пространстве теплообменников в ряде случаев устанавливают и продольные перегородки. Толщина продольных перегородок трубного пучка, распре­делительных камер и крышек должна быть не менее 6 мм.

5.2. ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССА ТЕПЛООБМЕНА В КОЖУХОТРУБЧАТЫХ ТЕПЛООБМЕННИКАХ

Проблема интенсификации работы кожухотрубчатых теплообменников связана главным образом с выравниванием тер­мических сопротивлений на противоположных сторонах теплообменной поверхности. Этого до­стигают либо увеличением поверхности теплообмена F, например оребрением ее со стороны теплоносителя с меньшим коэффициентом теплоотдачи либо увеличением коэффициента теплоотдачи рациональным подбором гидродинамики теплоносителя. Последнее должно приводить к выравниванию скоростей и температур по сечению потока теплоносителя и, следовательно, к уменьшению термического сопротивле­ния его пограничного слоя. Результаты исследований показы­вают, что именно сопротивление пограничного слоя является главным фактором, снижающим интенсивность теплопередачи. Рассмотрим два случая теплопередачи, при которых терми­ческое сопротивление определяется межтрубным и трубным про­странствами. В первом случае наибольший эффект теплопередачи достигается при поперечном смывании пучка труб, расположен­ных в шахматном порядке. При этом если критерий Рейнольдса Re = 120 ... 1000, в межтрубном пространстве создается устой­чивый турбулентный режим движения, а ламинарный погранич­ный слой теплоносителя сохраняется лишь на небольшом участке поверхности труб.

Теплообмен значительно улучшается также при ликвидации застойных зон в межтрубном пространстве. Особенно часто такие зоны образуются вблизи трубных решеток, поскольку штуцера ввода и вывода теплоносителя из межтрубного пространства рас­положены на некотором расстоянии от них. Для интенсификации теплообмена иногда используют турбулизаторы - элементы, турбулизирующие или разрушающие пограничный слой теплоносителя на наружной поверхности труб.
Эффект теплоотдачи на наружной поверхности труб суще­ственно повышают кольцевые канавки, интенсифи­цирующие теплообмен в межтрубном пространстве примерно в 2 раза турбулизацией потока в пограничном слое.
В теплообменниках с передачей теплоты от жидкости в труб­ном пространстве к вязкой жидкости или газу в межтрубном про­странстве коэффициенты теплоотдачи с наружной стороны труб примерно на порядок меньше, чем с внутренней стороны. Напри­мер, в газожидкостных теплообменниках коэффициент теплоот­дачи со стороны жидкости может достигать 6 кВт/(м²·К), а со стороны газа не превышает 0,1 кВт/(м²·К). Естественно, что применение гладких труб в таких теплообменниках приводит к резкому увеличению их массы и размеров. Стремление интенси­фицировать теплоотдачу со стороны малоэффективного теплоносителя (газы, вязкие жидкости) привело к разработке различных конструкций оребрен­ных труб.
Установлено, что оребрение увеличивает не только теплообменную поверхность, но и коэффициент тепло­отдачи от оребренной поверхности к тепло­носителю вследствие турбулизации потока ребрами. При этом, однако, надо учитывать возрастание затрат на прокачивание теплоно­сителя. Применяют тру­бы с продольными (рис. 5.2, а) и разрезными (рис. 5.2, б) ребрами, с поперечными ребрами различного про­филя (рис. 5.2, в). Оребрение на трубах можно выполнить в виде спиральных ребер (рис. 5.2, г), иголок различной толщины и др.

Эффективность ребра, которую можно характеризовать коэф­фициентом теплоотдачи, зависит от его формы, высоты и мате­риала. Если требуется невысокий коэффициент теплоотдачи, необходимую эффективность могут обеспечить стальные ребра, при необходимости достижения больших коэффициентов целе­сообразно применение медных или алюминиевых ребер. Эффективность ребра резко снижается, если оно не изготов­лено за одно целое с трубой, не приварено или не припаяно к ней. Если термическое сопротивление определяется трубным про­странством, используют методы воздействия на поток устрой­ствами, разрушающими и турбулизирующими внутренний по­граничный слой. Это различного рода турбулизирующие вставки (спирали, диафрагмы, диски) и насадки (кольца, шарики), поме­щаемые в трубу. Естественно, что при этом возрастает гидравли­ческое сопротивление трубы.

Турбулизирующие вставки в виде диафрагмы (рис. 5.3, а) размещают в трубе на определенном расстоянии одна от другой. При наличии таких вставок переход к турбулентному течению в трубах происходит при Re = 140 (для труб без вставок при Re = 2300), что позволяет приблизительно в 4 раза интенсифици­ровать теплообмен. Вставки в виде дисков с опреде­ленным шагом укрепляют на тонком стержне, вставленном в трубы. По своему воздействию на поток такие вставки близки к диафраг­мам. Спиральные вставки (рис. 5.3, в) обычно изготовляют из тонких алюминиевых или латунных лент. При низких значе­ниях Re они позволяют повысить коэффициент теплоотдачи в 2-3 раза.
Кроме вставок и насадок теплообмен в трубах можно интен­сифицировать применением шероховатых поверхностей, накаткой упомянутых кольцевых канавок, изменением поперечного сече­ния трубы ее сжатием. В этом случае даже при ламинарном ре­жиме течения теплоносителя теплоотдача в трубах на 20-100 % выше, чем в гладких трубах.

Если коэффициент теплоотдачи от среды, проходящей в тру­бах, на порядок ниже, чем коэффициент для наружной стороны труб, весьма выгодно использование в теплообменниках труб с внутренним оребрением. Примером является конструкция, показанная на рис. 5.4, а. При теплообмене в системе газ-газ рационально в качестве теплообменной поверхности использовать пучки труб с внешними и внутренними ребрами (рис. 5.4, б). Для обеспечения направленного потока газа между наружными ребрами труб помещены треугольные вставки.

Кроме перечисленных мето­дов, в отечественной и зарубеж­ной практике делают попытки интенсифицировать теплопере­дачу и другими способами, например использованием вра­щающихся турбулизаторов.
ЛЕКЦИЯ № 6 «Выпрямление воздуха» (4 часа)
6.1. Пластинчатые и спиральные теплообменники
6.2. Расчет и выбор теплообменников

6.1. ПЛАСТИНЧАТЫЕ И СПИРАЛЬНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ