Теплообменники компрессорных установок
В определяющей степени эффективность работы всей компрессорной установки и особенно системы утилизации тепла охлаждения сжимаемых газов зависит от выбора теплообменных аппаратов. В рамках данного пособия рассмотрим основные характеристики только газоохладителей, хотя в эксплуатационных условиях заметную роль играет и работа маслоохладителей, влагоотделителей и др.
Рис. 5.22. Принципиальные схемы газгольдеров:
а - мокрого; б - сухого: 1 - колокол; 2 - направляющая штанга; 3 - резервуар; 4- утепляющая стенка; 5 - гибкая секция; 6 - грузила для создания избыточного давления; 7 - подача и отбор газа; 8 - шайба
Рис. 5.23. Принципиальная схема мокрого газгольдера
Данный параграф подготовлен по материалам, изложенным в литературе [3], где можно более подробно в рамках самостоятельной работы познакомиться с конструкциями теплообменников в компрессорных установках.
На выбор того или иного вида газоохладителя влияет целый ряд требований, которые иногда накладывают взаимно противоположные ограничения: диапазон производительности компрессорной установки; вид и параметры сжимаемого газа; габаритные размеры; вид системы охлаждения; ограничения, вызванные унификацией при производстве и др.
В настоящее время промышленность выпускает газоохладители в широком диапазоне расходов сжатого газа (до 3000 м3/мин) и на рабочее давление до 40 МПа. Тенденция развития компрессоростроения говорит о том., что в ближайшее время область расхода и давления расширится до 5000-10000 м3/мин и 700-900 МПа. Вместе с тем по масштабу выпуска газоохладителей можно отметить, что большая часть из них предназначена на расходы до 250 м3/мин и давления до 4 МПа.
По диапазону рабочих давлений газоохладители принято делить на три группы: 1) низкого давления (до 1,2 МПа); 2) среднего давления (до 4 МПа); 3) высокого давления (свыше 4 МПа).
Конструкция теплообменных аппаратов определяется типом теплопередающего элемента, который выполняется в виде труб или листового материала.
Повышение компактности теплообменников требует использования труб малого диаметра, что приводит к противоречию с требованием уменьшения гидравлического сопротивления. Одним из эффективных и распространенных повышения компактности является оребрение труб. В практике в большинстве случаев осуществляется наружное оребрение, которое выполняется как цельнокатанное, литое, ленточное и насадное (рис.5.24).
Рис.5.24. Трубы с наружным оребрением:
а - целонакатанная;б - цельнокатанная биметаллическая труба; в - с ленточным оребрением; г - с насадными ребрами.
Цельнокатаные ребра стальных труб просты в изготовлении, не имеют контактных сопротивлений, но имеют небольшую высоту ребер из-за технологических ограничений, и поэтому имеют низкую теплопроводность. Алюминиевые и медные трубы не имеют этих недостатков, но сложность установки первых и высокая цена вторых ограничивают область их применения.
По способу соединений труб в теплообменниках можно выделить следующие основные типы: неподвижные паянные или развальцованные; подвижные со специальными уплотнениями труб в трубных досках; соединение труб с помощью калачей.
Повышение требований к сокращению размеров теплообменников привело к развитию так называемых пластинчатых конструкций (рис.5.25). В них разделительные поверхности представляют собой гофрированные пластины. Различают в настоящее время два основных типа пластинчатых конструкций - пластинчатые и пластинчато-ребристые. Наибольшее распространение получили последние из-за меньшего гидравлического сопротивления по газовому тракту. Компактность пластинчатых теплообменников (отношение площади поверхности теплообмена к объему) составляет 1000-5000 м2,/м3 и в десятки раз может превышать компактность трубчатых. Недостатком теплообменников такого типа является сложность или невозможность очистки поверхностей от загрязнения.
Ниже рассматриваются промышленные образцы теплообменников, принимаемых для охлаждения газа в компрессорных станциях.
Газоохладители низкого и среднего давления - наиболее многочисленная группа газоохладителей. Охлаждаемой средой является воздух, охлаждающей - обычно вода. К аппаратам этого типа предъявляются следующие требования. Конструкции должны обеспечивать возможность широкой унификации, должна быть обеспечена возможность чистки трактов обоих теплоносителей, коррозионная стойкость, виброустойчивость элементов конструкции, прочность, неизменность формы теплопередающей поверхности.
Наибольшим разнообразием отличаются конструкции трубчатых и кожухотрубных теплообменников. Большинство газоводяных кожухотрубных аппаратов имеет цилиндрический корпус (рис.5.26). Трубы заделаны в трубные решетки. Вода подается в трубное пространство, газ - в межтрубное. Это обусловлено относительной простотой очистки внутренней поверхности труб от накипи. Организация нужного режима течения межтрубного теплоносителя достигается установкой перегородок.
Основные недостатки такой конструкции - большая масса и габаритные размеры, а также ограниченные возможности унификации.
Снижение массы и габаритных размеров возможно путем использования поперечно оребренных труб, что связано с усложнением конструкции. В этом случае для достижения многоходовости межтрубного пространства необходима установка дополнительных трубных досок или составных перегородок (рис. 5.26).
Большие возможности варьирования площади проходного сечения межтрубного теплоносителя представляют конструкции, в которых трубы установлены поперек корпуса (рис.5.27) и скомпонованы в несколько теплопередающих секций (модулей). Варьируя размеры кожуха, толщину обечайки, число секций и способ их подключения, можно получить аппараты для широкого спектра расходов, давлений с конфигурацией, близкой к оптимальной. Изменение конфигураций достигается с помощью сегментных перегородок, расположенных между секциями.
Рис. 5.25. Элементы пластинчато-ребристого теплообменника
Такой подход позволяет несколькими унифицированными модулями закрыть практически всю область параметров газоводяных охладителей компрессорных установок, в которой кожухотрубные аппараты могут конкурировать с пластинчато-ребристыми.
Достоинством газоохладителей с поперечным расположением труб является возможность их компоновки в одном корпусе с буферными емкостями и влагомаслоотделителями, что отвечает современным тенденциям создания моноблочных конструкций. Важное преимущество - возможность простой и эффективной чистки водяного тракта.
Рис.5.26. Конструкции кожухотрубных теплообменников:
а - многоходовой гладкотрубный с поперечными перегородками; б - двухходовой с двумя пучками оребренных труб; в - двухходовой с одним пучком оребренных труб и составной перегородкой
Рис. 5.27. Кожухотрубный теплообменник из четырех унифицированных теплопередающих секций:
а - последовательное течение газа через секции; б - параллельно-последовательное; в - параллельное
Трубчатые газоохладители низкого и среднего давлений комплектуются низкооребренными, оребренными или гладкими трубами и применяются в системах воздушного охлаждения (рис. 5.28). Использование низкооребренных или гладких труб обусловлено близостью физических свойств теплоносителей (газ - воздух или воздух - воздух). Такие трубчатые газо-воздушные охладители свободны от недостатков водяных аппаратов, однако большие размеры и масса сужают область их применения.
Пластинчато-ребристые теплообменники находят широкое применение в компрессорных установках среднего и низкого давления.
Такие теплообменники обладают низкой металлоемкостью, высокой компактностью, которая сочетается с высокой надежностью. Нарушение плотности одного из каналов не только не ведет к разрушению всего теплообменника, но зачастую не изменяет его работоспособности. Этим обуславливается то, что срок службы пластинчатых теплообменников в общем случае выше, чем у других теплообменников.
На прокачку охлаждаемого газа и хладагента в газоохладителях компрессоров расходуется от 3 до 10% мощности, потребляемой компрессорной установкой. Мощность на прокачку тем больше, чем больше скорость теплообменивающихся сред. Высокая компактность пластинчато-ребристых теплообменников позволяет назначать в них скорости ниже, чем в аппаратах традиционных конструкций. Применение компактной теплопередающей поверхности позволяет при тех же размерах газоохладителей компрессоров получить более глубокое охлаждение газа.
Рис. 5.28. Пример кожухотрубного теплообменника с продольным оребренными трубами:
I - вход воды; II - выход воды; III - вход воздуха; IV - выход воздуха; V - продувка.
Механическая чистка таких теплообменников от загрязнений невозможна из-за большого числа каналов малого эквивалентного диаметра. Это делает нецелесообразным их использование в открытых водооборотных системах.
В газо-водных охладителях низкого и среднего давления открытых водооборотных систем охлаждения компрессоров предпочтение следует отдать кожухотрубным аппаратам с поперечным расположением труб с наружным оребрением (рис. 5.29) при внутритрубном течении воды и межтрубном течении газа. В системах непосредственно воздушного охлаждения компрессоров и в закрытых системах с промежуточным теплоносителем в качестве охладителей на низкое и среднее давление газа наилучшие показатели имеют пластинчато-ребристые теплообменники.
Среди газоохладителей высокого давления можно выделить кожухотрубные, змеевиковые и аппараты типа «труба в трубе». Кожухотрубные теплообменники высокого давления ( 
МПа) наиболее целесообразно применять в компрессорных установках большой производительности (рис.5.29).
В компрессорных установках малых производительностей применяются змеевиковые охладители. В них отсутствуют трубные решетки. Это упрощает конструкцию, но вследствие большой протяженности газового тракта увеличивает гидравлические потери.
Рис. 5.29. Кожухотрубный газо-водяной охладитель высокого давления
Змеевиковые газоохладители используются лишь в ступенях высокого давления, где относительные гидравлические потери оказываются ниже, чем в ступенях низкого давления.
Наибольшее распространение в качестве газоводяных охладителей ступеней высокого давления получили аппараты типа «трубы в трубе» (рис.5.30). Выполняются они в виде нескольких параллельных секций, соединенных общими коллекторами. Основное преимущество таких теплообменников - возможность разборки и чистки, недостаток - большие размеры и металлоемкость.
В газовоздушных охладителях высокого давления используются трубчатые конструкции (рис.5.31). В них используется приварной коллектор, в некоторых конструкциях для доступа к трубному пространству в коллекторах устанавливаются резьбовые пробки.
Отдельно следует рассмотреть газоохладители с рабочим давлением 100 МПа и выше. В настоящее время компрессоры на давление 250 МПа комплектуются газоохладителями типа «труба в трубе», имеющими при таких давлениях недопустимо большие габаритные размеры и массу. Такие давления применяются при производстве полиэтилена. Ряд прогнозов [3] указывает на то, что давление в этих процессах может в недалеком будущем подняться до Р=400-700 МПа.
Рост давления ведет к утолщению стенки газоохладителя и соответственно к росту термического сопротивления, отсюда рост теплопередающих поверхностей. Для уменьшения толщины стенки и ее термического сопротивления можно уменьшить диаметр трубы, как известно, при этом удельная прочность трубы растет. Однако этот прием в трубчатых конструкциях малоперспективен из-за проблем, возникающих при заделке труб в трубные решетки. Уменьшение диаметра каналов с одновременным увеличением их числа возможно в конструкции блока, изображенного на рис.5.32. Малый диаметр каналов допускает их близкое расположение, что уменьшает термическое сопротивление стенки. Такие аппараты компактны, их применение позволяет сократить металлоемкость по сравнению с газоохладителями типа «труба в трубе» в 2-3 раза.
Рис. 5.30. Газоохладитель типа «труба в трубе»
Для использования теплопередающего блока высокого давления с каналами малого диаметра необходима закрытая система с промежуточным теплоносителем, это обусловлено сложностью очистки каналов от накипи.
Компоновочное решение оказывает существенное влияние на эффективность системы охлаждения.
Рис. 5.31. Газовоздушный охладитель высокого давления
Рис. 5.32. Схема расположения каналов в блоке высокого давления