Классификация теплообменных аппаратов (стр. 3 )

Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. ТеплоносительАв этих аппаратах движется по трубам, теплоноситель Б - в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб.

Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху, в связи с чем исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха, поэтому аппараты данного типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.

Трубы в кожухотрубчатыхтеплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным, в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена.

Рисунок 2.3 - Одноходовыйкожухотрубчатый теплообменник

В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения больших коэффициентов теплоотдачи необходимы достаточно высокие скорости теплоносителей: для газов от 8до 30м/с, для жидкостей не менее 1,5 м/с. Скорость теплоносителей обеспечивают при проектировании соответствующим подбором площади сечения трубного и межтрубного пространств.

Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то проводят тепловой расчет и определяют коэффициент теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппа­раты с продольными перегородками в распределительной камере. Промышленностью выпускаются двух-, четырех - и шестиходовые теплообменники жесткой конструкции.

Двухходовый горизонтальный теплообменник (рисунок 2.4) состоит из цилиндрического сварного кожуха 8, распределительной камеры 11и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, которые закреплены в двух трубных решетках 3, приваренных к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцер для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцер 1,12)и межтрубного (штуцер 2,10)пространств. Перегородка 13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка 14, уложенная в паз решетки 3.

Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки 6, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство предусмотрен отбойник 9 - круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.

Рисунок 2.4 - Двухходовый горизонтальный теплообменник с неподвижными решетками

Теплообменники типа ТН отличаются простым устройством и сравнительно дешевы, однако им присущи два крупных недостатка.

Во-первых, наружную поверхность труб невозможно очистить от загрязнений механическим способом, а теплоносители в ряде случаев могут содержать примеси, которые оседают на поверхности труб в виде накипи, отложений и др. Слой таких отложений имеет малый коэффициент теплопроводности и способен весьма существенно ухудшить теплопередачу в аппарате.

Во-вторых, область применения теплообменных аппаратов типа ТН ограничена возникновением, так называемых, температурных напряжений в кожухе и трубах аппарата. Это явление объясняется тем, что при работе теплообменника кожух и трубы претерпевают разные температурные деформации, поскольку тем­пература кожуха близка к температуре теплоносителя, циркулирующего в межтрубном пространстве, а температура труб - к температуре теплоносителя в трубном пространстве. Разность температурных удлинений возрастает, если кожух и трубы изготовлены из материалов с различными температурными коэффициентами ли­нейного расширения. Возникающие при этом напряжения в сумме с напряжениями от давления среды в аппарате могут вызвать устойчивые деформации и даже разрушение конструкций.

По указанной причине теплообменники типа ТН используют при небольшой разности температур (менее 50 °С) кожуха и труб, когда еще возможнасамокомпенсация конструкции. Однако многие аппараты типа ТН, серийно выпускаемые отечественной промышленностью, рекомендованы для работы при еще меньшей разности температур (менее 40 °С). Чтобы исключить значительные температурные напряжения, при пуске аппаратов типа ТН теплообменную среду сначала направляют в межтрубное пространство для выравнивания температур кожуха и труб, а затем среду вводят в трубы.

Если расчетная разность температур кожуха и труб превышает указанную, используют теплообменные аппараты с частичной (тип ТК или ПК) или полной (тип ТУ или ТП) компенсацией температурных напряжений [3].

2.2 Теплообменники с температурным компенсатором на кожухе (ТК)

В этих аппаратах для частичной компенсации температурных деформаций используют специальные гибкие элементы (расширители и компенсаторы), расположенные на кожухе.

Кожухотрубчатый аппарат с линзовым компенсатором на корпусе типа ТК (рисунок 2.5) имеет цилиндрический кожух 1, в котором расположен трубный пучок 2; трубные решетки 3 с развальцованными трубками крепятся к корпусу аппарата. С обоих концов теплообменный аппарат закрыт крышками 4. Аппарат оборудован штуцерами 5 для теплообменивающихся сред; одна среда идет по трубкам, другая проходит через межтрубное пространство. Теплообменные аппараты с температурным компенсатором типа ТК имеют неподвижные трубные решетки и снабжены специальными гибкими элементами 6 (линзами) для компенсации различия в удлинении кожуха и труб, возникающего вследствие различия их температур (рисунок 2.7). На рисунке 6Г.1 (приложение 6Г) показаны конструкции линзовых компенсаторов.

Рисунок 2.5 - Кожухотрубчатый аппарат с линзовым компенсатором

на корпусе типа ТК

Рисунок 2.6 – Кожух с линзовым компенсатором

Рисунок 2.7 – Кожух с линзовыми компенсаторами в разрезе

Теплообменники с линзовыми компенсаторами применяют при небольших температурных деформациях (не более 13 - 15 мм) и невысоких давлениях в межтрубном пространстве. Для круглых элементов аппаратов, диаметр которых превышает 100 мм, обычно применяют линзовые компенсаторы, состоящие из одной и более линз. Линзы выполняют штампованными или из кольцевого тора, выполненного с прорезью, разрезными или сварными волнообразной формы. Одна линза компенсирует небольшие температурные деформации (4 – 5 мм), набор линз (не более пяти) позволяет компенсировать деформации до 15 мм. Однако применять компенсаторы с числом линз более 5-ти не рекомендуется, т. к. снижается прочность корпуса. Линзовые компенсаторы применяют в вертикальных и горизонтальных аппаратах и трубопроводах при избыточном давлении не более 1,6 МПа и средней разности температур не более 70 оС. Каждая линза увеличивает компенсирующую способность по сравнению с ТН дополнительно на 5 - 7 оС [7].

Частичную компенсацию температурного расширения за счет гибких элементов в кожухе обеспечивает аппарат с расширителем 1 на кожухе 3 (рисунок 2.8). Преимущество этой конструкции - эффективность теплообмена вследствие иск­лючения застойных зон в межтрубном пространстве. В кожухотрубчатых теплообменниках такие зоны образуются вблизи трубных решеток, поскольку штуцеры ввода и вывода теплоносителя расположены на некотором расстоянии от решеток. Для ликвидации застойных зон в аппарате с частичной компенсацией температурных расширений предусмотрен распределитель 2,который обеспечивает равномерное распределение теплоносителя по межтрубному пространству.

Применение кожухотрубчатых теплообменников с температурным компенсатором на кожухе (линзовый компенсатор) или с расширителем ограничено предельно допустимым давлением в кожухе, равным 1,6 МПа, однако допускает гораздо больший температурный перепад, чем в теплообменниках типа Н и при этом возрастает стоимость аппарата. При большем давлении в кожухе (1,6 - 8,0 МПа) следует применять теплообменники с плавающей головкой или с U-образными трубами или с плавающей головкой [8].

а)

б)

а – общая конструктивная схема;

б – вид на трубный пучок со снятым кожухом

Рисунок 2.8- Теплообменник с расширителем на кожухе

2.3 Теплообменники с U-образными трубами(тип ТУ)

В кожухотрубчатых аппаратах с U-образными трубами обеспечивается свободное удлинение труб, что исключает возможность возникновения температурных напряжений.

Такие аппараты (рисунок 2.9) состоят из кожуха 2 и трубного пучка, имеющего U-образные трубы 1 и одну трубную решетку 3, которая вместе с распределитель­ной камерой 4 крепится к кожуху аппарата на фланце.

Для обеспечения раздельного ввода и вывода циркулирующего по трубам теплоносителя в распределительной камере предусмотрена перегородка 5.

В аппаратах типа U- образных обеспечивается свободное температурное удлинение труб: каждая труба может расширяться независимо от кожуха и соседних труб. Разность температур стенок труб по ходам в этих аппаратах не должна превышать 100 °С. В противном случае могут возникнуть опасные температурные напряжения в трубной решетке вследствие температурного скачка на линии стыка двух ее частей.

Преимущество конструкции аппарата типа U - возможность периодического извлечения трубного пучка для очистки наружной поверхности труб или полной замены пучка. Однако наружная поверхность труб в этих аппаратах неудобна для механической очистки.

Поскольку механическая очистка внутренней поверхности труб в аппаратах типа ТУ практически невозможна, в трубное пространство таких аппаратов следует направлять среду, не образующую отложений, которые требуют механической очистки. Внутреннюю поверхность труб в этих аппаратах очищают водой, водяным паром, горячими нефтепродуктами или химическими реагентами. Иногда используют гидромеханический способ (подача в трубное пространство потока жидкости, содержащей абразивный материал, твердые шары и др.).