А)
Б) одноходовой теплообменник
В) двухходовой теплообменник
10
8
9
Рис. 1.1. Теплообменник с неподвижными трубными решетками:
А) общий вид аппарата; Б) эскиз: 1,6 – крышки; 2– кожух; 3 – трубы; 4 – трубные решетки; В) эскиз: 1,6 – крышки; 2 – кожух; 3 – трубы; 4 – поперечные перегородки; 5 – трубные решетки; 7 – опоры; 8 – продольная перегородка для разделения ходов; 9 – распределительная камера; 10– стяжка
21
возможна установка специальных заполнителей; это могут быть приваренные к корпусу продольные пластины или глухие трубы.
Преимущества теплообменников данного типа: простота конструкции и сравнительно небольшая стоимость.
Недостатки:
1)Невозможность очистки наружной поверхности труб от загрязнений, поскольку трубные решетки жестко связаны с корпусом. Поэтому в межтрубное пространство рекомендуется направлять чистый теплоноситель.
2)В связи с жесткостью конструкции возможно возникновение температурных напряжений в корпусе и трубах аппарата. Возникающие напряжения могут привести к устойчивой деформации, вплоть до разрушения аппарата.
Во избежание этого теплообменники типа Н рекомендуется
использовать при разности сред не более 50°С. Для предотвращения возникновения температурных деформаций необходимо соблюдать порядок пуска. Сначала теплоноситель следует направить в межтрубное пространство, а после выравнивания температуры кожуха и труб направляют поток в трубы. Если разница температур теплообменных сред больше 50°С, то рекомендуется использовать теплообменники с компенсацией температурных напряжений. Здесь выделяют аппараты с частичной компенсацией (аппараты типа К и ПК) и аппараты с полной компенсацией температурных напряжений (теплообменники типа У, П).
Теплообменники с компенсатором на кожухе (тип К)
В аппаратах данного типа на корпусе устанавливают расширители или компенсаторы. Их вваривают между двумя частями корпуса, а для уменьшения гидравлического сопротивления дополнительно приваривают обтекатели или распределители потока (со стороны входа теплоносителя в межтрубное пространство). В аппаратах типа К (рис. 1.2) используют несколько типов компенсаторов: линзовые, из двух полусферических
элементов; из плоских параллельных колец; тороидальные.
Наличие компенсатора на кожухе препятствует возникновению температурных деформаций при расширении и сжатии труб. Количество компенсирующих элементов определяется разницей температур теплообменивающихся сред.
Наиболее распространены линзовые компенсаторы (см. рис.1.3): одно- или много-линзовые. Их изготавливают двумя способами: либо путем откатки коротких цилиндрических обечаек, либо путем сварки двух штампованных полулинз.
22
Рис.1.2. Теплообменник с компенсатором на кожухе
При использовании расширителей компенсация температурных напряжений обеспечивается за счет установки гибких элементов в кожухе аппарата, в месте ввода теплоносителя в межтрубное пространство. Преимущества: отсутствуют застойные зоны в межтрубном пространстве, что увеличивает эффективность теплообмена. Для увеличения равномерности потока устанавливают распределители потока. Использование теплообменников с компенсаторами позволяет увеличить разность температур сред до 70 градусов. Область применения аппаратов ограничивается давлением (избыточное давление не больше 2 МПа).
Рис. 1.3. Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с однолинзовым компенсатором:
1 –корпус; 2 – компенсатор; 3 - обтекатель
Теплообменники с U-образными трубами (тип У)
Трубный пучок данного аппарата выполнен из U-образных труб, закрепленных в одной трубной решетке и помещенных в кожух (рис. 1.4). Ввод и вывод потока в трубы осуществляется через распределительную камеру, разделенную продольной перегородкой. Таким образом, аппарат
23
выполняется двухходовым по трубному пространству и одноходовым по межтрубному. Каждая труба в аппарате данного типа может удлиняться независимо от других труб и от кожуха; этим обеспечивается полная компенсация температурных напряжений. Температурные напряжения могут возникнуть в трубной решетке, за счет разницы температур теплоносителя на входе и на выходе из труб. Поэтому для аппаратов
данного типа разница температур по ходам не должна превышать 100
0С.
В аппаратах типа У при креплении трубной решетки к корпусу и распределительной камере может использовать шпилька со стопором, что позволяет отсоединять распределительную решетку без нарушения соединения трубной решетки с корпусом.
А)
Б)
Рис. 1.4. Теплообменник с U-образными трубами:
1 – трубы; 2 – кожух; 3 – трубная решетка; 4 – распределительная камера; 5 – продольная перегородка для разделения зон ввода - вывода потока в трубы
24
Преимущества теплообменников данного типа: полная компенсация температурных напряжений и возможность извлечения трубного пучка, для очистки и замены труб.
Недостатки:
1)в аппаратах данного типа невозможно очистить поверхность труб механическим способом, поэтому используют гидромеханическую очистку, очистку водяным паром, а также горячими нефтепродуктами или различными химическими реагентами;
2)невозможность замены отдельных труб аппарата кроме крайних; это связано со сложностью размещения труб в аппарате, особенно при большом их количестве;
3)плохое заполнение труб связанное с их изгибом;
4)возможность разгерметизации угла соединения труб с трубной решеткой, в связи с возникновением изгибающих напряжений, вызванных большой массой труб, заполненных средой; во избежание этого в аппарате диаметром более 800 мм используют роликовые опоры для поддержания трубного пучка.
Всвязи с отмеченными недостатками аппараты типа У находят ограниченное применение.
Теплообменники с плавающей головкой (тип П)
В аппарате данного (рис. 1.5) типа трубный пучок закреплен в двух трубных решетках. Одна решетка неподвижно связана с корпусом, а другая закрыта крышкой и образует плавающую головку, которая может перемещаться внутри аппарата. В связи с этим в данных аппаратах достигается полная компенсация температурных напряжений. Во избежание возникновения изгибающих напряжений неподвижной трубной решетки, также как и в предыдущих аппаратах, используют роликовую опору для поддержания трубного пучка (для аппаратов диаметром больше
800 мм).
Плавающие головки можно выполнять цельными или разрезными. Разрезные головки устанавливают в аппаратах диаметром более 1000 мм и при разнице температур на входе и на выходе более 100°С.
Размещение плавающей головки в корпусе может быть выполнено также в двух вариантах:
1)Когда диаметр кожуха и крышки одинаков. Это конструкция проста в использовании и удобна при монтаже и демонтаже аппарата. Но в этом случае образуется большой зазор между трубным пучком и кожухом аппарата, что приводит к ухудшению условий теплообмена.
2)Когда диаметр кожуха меньше диаметра крышки (см. рис. 1.5). Это позволяет уменьшить зазор между кожухом и трубками на ширину фланца плавающей головки. При этом появляются трудности при
25
демонтаже аппарата. В этом случае для извлечения трубного пучка используют несколько вариантов креплений трубной решетки и плавающей головки. Наиболее часто используемые варианты - применение
разрезных фланцев и разрезных фланцевых скоб.
А)
Б)
Рис. 1.5. Теплообменник с плавающей головкой:
1- неподвижная трубная решетка, 2- распределительная камера, 3,7 – крышки, 4- продольная перегородка, 5,9 –штуцера ввода-вывода для межтрубного пространства, 6- опора для трубного пучка, 8- плавающая головка, 10кожух
Аппараты с плавающей головкой часто используют в качестве
испарителей с паровым пространством (рис. 1.6). Для обеспечения достаточной поверхности испарения трубный пучок размещают в кожухе большего диаметра. При этом диаметр самого трубного пучка значительно меньше диаметра кожуха.
Уровень жидкости в аппарате поддерживается при помощи регулирующей перегородки. Расстояние от перегородки до корпуса
26
составляет 30% от диаметра кожуха. Трубный пучок размещается в аппарате через штуцер расположенный в крышке; внутри корпуса поддерживается опорами. В аппаратах данного типа можно размещать несколько трубных пучков в одном корпусе.
Рис. 1.6. Испаритель с паровым пространством
Теплообменники с плавающей головкой и компенсатором на ней (тип ПК)
В аппаратах данного типа (рис. 1.7) обеспечивается частичная компенсация температурных напряжений. Для этого на плавающей головке устанавливают компенсатор, размещаемый внутри удлиненного штуцера, расположенного на крышке аппарата. Противоположным концом компенсатор соединен со штуцером расположенным на крышке аппарата. Компенсатор отличается от используемого в аппаратах типа К большим числом гофр и меньшей толщиной стенки. Аппараты данного типа являются одноходовыми. Направление движения теплоносителей противоточное. Теплообменники данного типа используют при повышенном давлении рабочих сред (5 - 10 МПа).
27
Рис. 1.7. Теплообменник с плавающей головкой и компенсатором на ней:
1-плавающая головка; 2-крышка; 3-удлиненный штуцер; 4-компенсатор
Конструкция аппарата позволяет извлекать трубный пучок для очистки труб и проверки их состояния. Ограничением при использовании данной разновидности теплообменников является перепад давлений в трубном и межтрубном пространстве (не более 2,5 МПа). Поэтому при пуске аппарата теплоносители одновременно подают в трубы и межтрубное пространство.
Элементы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов
К основным элементам любого кожухотрубчатого теплообменника (рис. 1.8) относятся: кожух, трубы; трубные решётки; распределительные камеры; крышки; перегородки.
1). Кожух; распределительные камера; крышки.
Все элементы корпуса кожухотрубчатых теплообменников выполняются из стали различных марок. Выбор материала зависит от назначения аппарата, параметров его работы (t; P), агрессивности среды.
Кожух теплообменников D <600 мм выполняется в основном из труб. При большем диаметре корпус изготавливают из листовой стали. В случае большой длины аппарата корпус выполняют сварным из трех обечаек. Одна обечайка – центральная, две – концевые. Толщина стенок концевых обечаек больше толщины стенки центральной обечайки в 1,2-1,4 раза.
Распределительная камера представляет собой обечайку с фланцами, соединёнными с трубной решёткой и крышкой. Материал распределительной камеры такой же, как материал корпуса аппарата. Распределительные камеры снабжают перегородками для разделения зон ввода и вывода теплоносителя или для организации движения
28
теплоносителя по трубам (для многоходовых теплообменников); толщина продольных перегородок не менее 6 мм, они укладываются в паз трубной решётки.
2 |
3 |
4 |
5 |
|
1
6
Рис. 1.8. Элементы кожухотрубчатых теплообменников:
1 – крышки; 2 – распределительная камера; 3 – трубные решетки; 4 – пучок труб; 5 – кожух; 6 - опоры
Крышки теплообменников выполняются из того же материала, что и корпус, толщина стенок крышек и корпуса принимается одинаковой. Крышки кожухотрубчатых теплообменников чаще всего эллиптические; в аппаратах диаметром до 600 мм можно использовать плоские крышки. Крепление крышки к корпусу осуществляется посредством фланцевого соединения. Можно использовать и приварные крышки. При использовании фланцевого соединения предъявляются определённые требования к прокладкам под фланцы. Используют, как правило, металлические или асбометаллические прокладки; изготавливая их цельными; при использовании сварных прокладок расстояние между сварным швом и отверстием под трубы должно быть не менее 0,8 dотв. В аппаратах с плавающей головкой прокладки рекомендуется выполнять из стали.
2). Трубы и трубные решётки.
Трубы кожухотрубчатых теплообменников выполняют стальными (из углеродистой или коррозионностойкой стали) или латунными; диаметр труб - 16-57 мм. Выбор диаметра определяется свойствами среды. При работе с загрязнёнными средами или с вязкими жидкостями предпочтительнее использовать трубы большего диаметра (38-57 мм). Для чистых и маловязких сред используют трубы диаметром 16-25 мм. Наиболее часто используют трубы диаметром 20; 25 мм. От диаметра трубы зависит скорость рабочей среды и эффективность теплоотдачи. Длина труб аппарата влияет на его стоимость; оптимальная длина труб 5-7 мм. Трубы крепятся в трубных решётках аппарата, при этом можно использовать 3 варианта размещения труб:
29
•по вершинам равносторонних треугольников;
•по вершинам квадратов;
•по концентрическим окружностям.
Размещение по вершинам треугольника используется наиболее часто. Используется в аппаратах типа Н и типа К.
Размещение по вершинам квадратов используется в аппаратах с
плавающими головками и с U-образными трубами.
Размещение по вершинам треугольника – более компактный вариант. При размещении по вершинам квадратов легче производить чистку наружной поверхности.
Шаг расположения отверстий зависит от диаметра труб. Расположение отверстий должно быть таким, чтобы была обеспечена прочность участка между краями отверстий.
Способ соединения труб с трубной решёткой зависит от материала труб:
•в стальных аппаратах крепление осуществляется развальцовкой, сваркой или развальцовкой со сваркой;
•в теплообменниках, выполненных из меди и её сплавов – пайкой или заливкой концов труб металлом;
•в теплообменниках из полимерных материалов – склеиванием.
Аппараты воздушного охлаждения (АВО)
Аппараты данного типа используют для конденсации или охлаждения. АВО имеют ряд преимуществ по сравнению с водяными холодильниками или конденсаторами. Поскольку в этих аппаратах для охлаждения используют воздух, отсутствуют затраты на подготовку и перекачку воды, снижается стоимость ремонтных работ, т.к. не требуется очистка поверхности труб со стороны воздуха. АВО изготавливают в разных исполнениях в зависимости от расположения теплообменных секций:
•горизонтальные;
•вертикальные;
•с наклонным расположением теплообменных секций;
•с зигзагообразным расположением теплообменных секций Наиболее простая конструкция - горизонтальные АВО (рис. 1.9),
основным элементом которых являются теплообменные секции (рис. 1.10), состоящие их пучка оребренных труб; чаще используют трубы с поперечным оребрением. Использование таких труб позволяет увеличить поверхность теплообмена и повысить эффективность теплоотдачи. Трубы выполнены моно- или биметаллическими (из алюминия или стальные трубы с алюминиевыми ребрами) и размещены в трубных решетках, закрытых крышками; теплообменные секции закрыты каркасом и
30