Трубная решетка с кожухом не может соединяться

Кожухотрубчатые теплообменники — наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры.

По ГОСТ 9929 стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: ТН — с неподвижными трубными решетками; ТК — с температурным компенсатором на кожухе; ТП — с плавающей головкой; ТУ — с U-образными трубами; ТПК — с плавающей головкой и компенсато­ром на ней. В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно — и многоходовыми.

Кожухотрубчатый аппарат с неподвижной трубной решеткой (типа ТН) изображен на рисунке 1а.

Такие аппараты имеют 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 теплообмениващихся сред; одна среда идет по трубкам, другая проходит через межтрубное пространство.

Теплообменники этой группы изготовляют на условное давление 0,6…4,0 МПа, диаметром 159…1200 мм, с поверхностью теплообмена До 960 м2; длина их до 10 м, масса до 20 т. Теплообменники этого типа применяют до температуры 350 «С.

Предусмотрены различные варианты материального исполнения конструктивных элементов теплообменных аппаратов. Корпус аппа­рата изготовляют из сталей ВСтЗсп, 16ГС или биметаллическим с защитным слоем из сталей 08X13,12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т.

Для трубного пучка применяют трубы из сталей 10, 20 и Х8 с размерами 25×2, 25×2,5 и 20×2 мм, из высоколегированных сталей 08X13, 08Х22Н6Т, 08Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т с размерами 25×1,8 и 20×1,6 мм, а также трубы из алюминиевых сплавов и латуни.

Трубные решетки изготов­ляют из сталей 16ГС, 15Х5М, 12Х18Н10Т, а также биметаллическими с наплавкой высоколегированного хромоникелевого сплава или слоя латуни толщиной до 10 мм.

А) — с неподвижными решетками (ТН) или с компенсатором на кожухе (ТК); б) — с плавающей головкой; в) — с U-образными трубками

Рисунок 1- Основные типы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов:

Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соедине­ны с трубными решетками, а решетки с корпусом. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Некоторые вари­анты крепления трубных решеток к ко­жуху в стальных приведены на рисунке.

Трубы в кожухотрубчатых тепло­обменниках размещают 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.

Для уменьшения коли­чества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверх­ности кожуха.

Рисунок 2- Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху аппарата

Рисунок 3- Способы расположения в пространстве между трубным пучком и кожухом полос (а) и заглушённых труб (б)

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

Рисунок 4- Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК

Теплообменные аппараты с температурным компенсато­ром типа ТК (рисунок 4) име­ют неподвижные трубные ре­шетки и снабжены специаль­ными гибкими элементами для компенсации различия в удлинении кожуха и труб, возникающего вследствие различия их температур.

Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК отлича­ется от теплообменника типа ТН наличием вваренного между двумя частями кожуха 1 Линзового компенсатора 2 И обтекателя 3 (рисунок 5). Обтекатель уменьшает гидрав­лическое сопротивление межтрубного про­странства такого аппарата; обтекатель при­варивают к кожуху со стороны входа тепло­носителя в межтрубное пространство.

Рисунок 5- Компенсаторы: а — однолинзовый; б — сварен­ный из двух полулинз; в — двухлинзовый

При установке линзового компенсатора на горизонтальных аппа­ратах в нижней части каждой линзы сверлят дренажные отверстия с заглушками для слива воды после гидравлических испытаний аппа­рата.

Теплообменники с U-образными трубками типа ТУ имеют одну трубную решетку, в которую завальцованы оба конца U-образных тру­бок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении их температуры. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней поверхности труб, вследствие которой они используются преимущественно для чистых продуктов.

Такие аппараты (рисунок 6) состоят из кожуха 2 И трубного пучка, имеющего одну трубную решетку 3 И U-образные трубы 1. Трубная решетка вместе с распределительной камерой 4 крепится к кожуху ап­парата на фланце.

Рисунок 6- Теплообменник с U-образными трубами

Теплообменники этого типа могут быть в горизонтальном и верти­кальном исполнении. Их изготовляют диаметром 325…1400 мм с тру­бами длиной 6…9 м, на условное давление до 6,4 МПа и для рабочих температур до 450 °С. Масса теплообменников до 30 т.

Для обеспечения раздельного ввода и вывода теплоносителя в рас­пределительной камере предусмотрена перегородка 5.В аппаратах типа ТУ 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. Преимуществом кон­струкции аппарата типа ТУ является возможность пе­риодического извлечения трубного пучка для очистки наружной поверхности труб или полной замены пучка.

Однако следует отметить, что 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.).

Крепление фланца 4 Распределительной камеры к фланцу 1 Кожуха аппарата показано на рисунке 7. Специальная шпилька 3 С коническим стопорным выступом позволяет снимать распределительную камеру без нарушения соединения трубной решетки 2 С кожухом.

Один из наиболее распространенных дефектов кожухотрубчатого теплообменника типа ТУ — нарушение герметичности узла соединения труб с трубной решеткой из-за весьма значительных изгибающих напряжений, возникающих от массы труб и протекающей в них среды. В связи с этим теплообменные аппараты типа ТУ диаметром от 800 мм и более для удобства мон­тажа и уменьшения изгибающих напряжений в трубном пучке снабжают роликовыми опорами.

К недостаткам теплообменных аппаратов типа ТУ следует отнести относительно плохое заполнение кожуха трубами из-за огра­ничений, обусловленных изгибом труб. Обычно U-образные трубы из­готовляют гибкой труб в холодном или нагретом состоянии.

К существенным недостаткам аппаратов типа ТУ следует отнести невозможность замены труб (за исключением наружных труб) при вы­ходе их из строя, а также сложность размещения труб, особенно при большом их числе. Из-за указанных недостатков теплообменные аппараты этого типа не нашли широкого применения.

Теплообменные аппараты с плавающей головкой типа ТП (с под­вижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным ти­пом поверхностных аппаратов (рисунок 8). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от кор­пуса. В аппаратах этой конструкции температурные напряжения могут возникать лишь при существенном различии температур трубок.

Рисунок 7 — Способ крепления распределительной камеры к кожуху теплообменника

Рисунок 8 — Горизонтальный двухходовой конденсатор с плавающей головкой

Теплообменники этой группы стандартизованы по условным давле­ниям Р = 1,6…6,4 МПа, по диаметрам корпуса 325… 1400 мм и поверх­ностям нагрева 10…1200 м2 с длиной труб 3…9 м. Масса их достигает 35 т.

Теплообменники применяют при температурах до 450 °С. В теплообменных аппаратах подобного типа трубные пучки сравни­тельно легко могут быть удалены из корпуса, что облегчает их ремонт, чистку или замену.

Горизонтальный двухходовой конденсатор типа ТП состоит из кожу­ха 10 И трубного пучка. Левая трубная решетка 1 Соединена фланцевым соединением с кожухом и распределительной камерой 2, Снабженной пе­регородкой 4. Камера закрыта плоской крышкой 3.

Правая, подвижная, трубная решетка установлена внутри кожуха свободно и образует вместе с присоединенной к ней крышкой 8 «плавающую головку». Со сторо­ны плавающей головки аппарат закрыт крышкой 7. При нагревании и удлинении трубок плавающая головка перемещается внутри кожуха.

Для обеспечения свободного перемещения трубного пучка внутри кожуха в аппаратах диаметром 800 мм и более трубный пучок снабжают опорной платформой 6.

Верхний штуцер 9 Предназначен для ввода пара и поэтому имеет большое проходное сечение; нижний штуцер 5 пред­назначен для вывода конденсата и имеет меньшие размеры.

Значительные коэффици­енты теплоотдачи при конден­сации практически не зависят от режима движения среды. Поперечные перегородки меж­трубного пространства этого аппарата служат лишь для поддержания труб и придания трубному пучку жесткости.

Аппараты с плавающей го­ловкой обычно выполняют одноходовыми по межтруб­ному пространству, однако установкой продольных пере­городок в межтрубном про­странстве можно получить многоходовые конструкции.

На рисунке 9 показаны двуххо­довые по межтрубному про­странству теплообменники.

Рисунок 9- Двухходовой теплообменник типа ТП с плавающей головкой: а — цельной; б — разрезной

Хотя в аппаратах типа ТП обеспечивается хорошая компенсация температурных деформаций, эта компенсация не является полной, по­скольку различие температурных расширений самих трубок приводит к короблению трубной решетки.

В связи с этим в многоходовых тепло­обменниках типа ТП диаметром более 1000 мм при значительной (выше 100 °С) разности температур входа и выхода среды в трубном пучке, как правило, устанавливают разрезную по диаметру плавающую головку.

Особенно часто трубные пучки с плавающей головкой используют в испарителях с паровым пространством. В этих аппаратах должна быть создана большая поверхность зеркала испарения, поэтому диаметр кожуха испарителя значительно превы­шает диаметр трубного пучка, а перегородки в пучке служат лишь для увеличения его жесткости.

В испарителе (рисунок 10) уровень жидкости в кожухе 11 Поддержи­вается перегородкой 2.

Для обеспечения достаточного объема парового пространства и увеличения поверхности испарения расстояние от уровня жидкости до верха корпуса составляет примерно 30 % его диаметра.

Труб­ный пучок 3 Расположен в корпусе испарителя на поперечных балках 4. Для удобства монтажа трубного пучка в перегородке 2 и левом днище преду­смотрен люк 10, Через который в аппарат можно завести трос от лебедки.

Рисунок 10 — Испаритель

Продукт вводится в испаритель через штуцер 5; для защиты труб­ного пучка от эрозии над этим штуцером установлен отбойник 6. Пары отводятся через штуцер 9, Продукт — через штуцер 1. Теплоноситель подводится в трубный пучок и отводится через штуцеры 7, 8. В таких аппаратах можно устанавливать несколько трубных пучков.

Теплообменники с плавающей головкой и компенсатором (тип ТПК) представляют собой аппараты полужесткой конструкции, в ко­торых компенсацию температурных напряжений обеспечивает гибкий элемент — компенсатор, установленный на плавающей головке.

Теплообменники типа ТПК выполняют одноходовыми с противоточным движением теплоносителей и используют при повышенном давлении теплообменивающихся сред (5… 10 МПа).

Теплообменник этой конструкции (рисунок 11) отличается от рассмот­ренных выше наличием на крышке 2 удлиненного штуцера (горловины) 3, Внутри которого размещен компенсатор 4. Последний соединен од­ним концом с плавающей головкой 1, Другим — со штуцером на крышке теплообменника. Конструкции остальных узлов теплообменника ана­логичны используемым в аппаратах типа ТП.

• 1 — плавающая головка; 2 — крышка; 3 — штуцер; 4 — Компенсатор
• Рисунок 11- Теплообменник с плавающей головкой и компенсатором

Компенсаторы, используемые в аппаратах типа ТПК, отличаются от линзовых компенсаторов аппаратов типа ТК относительно меньшими диаметрами, большим числом волн (гофров), меньшей толщиной стен­ки.

Такие компенсаторы можно использовать при перепаде давлений не более 2,5 МПа, поэтому аппараты типа ТПК разрешается эксплуа­тировать только при одновременной подаче теплоносителей в трубное и межтрубное пространства.

Пример частичной компенсации разности температурных дефор­маций кожуха и труб — использование в кожухотрубчатых аппаратах сальникового уплотнения. Основные элементы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: кожух (корпус), распределительная камера и трубный пучок. Послед­ний состоит из труб, трубных решеток и перегородок. Элементы сталь­ных кожухотрубчатых аппаратов изготовляют из стали.

Для каждого из рассмотренных выше типов стальных кожухотруб­чатых аппаратов в зависимости от их назначения материалы регламен­тированы соответствующими стандартами.

Технологическое оборудование отрасли (2 часть) — § 1.2 Типы кожухотрубных теплообменников, их основные узлы

• § 1.2 Типы кожухотрубных теплообменников, их основные узлы
•          Кожухотрубные теплообменники наиболее широко используют благодаря простоте конструкции и технологии из­готовления.
•          Изготовляют кожухотрубные теплообменники следующих типов: ТН – с неподвижными трубными решетками (с жестким кожухом и жестко закрепленными решетками); ТК – с температурным компенсатором на кожухе; ТП – с плавающей головкой; ТУ – с U-образными теплообменными трубками; ТПК – с плавающей головкой и компенсатором на ней.

         В зависимости от назначения эти аппараты могут быть подогревателями, холодильниками, конденсаторами и испарителями. Для увеличения скорости движения теплоносителей, а следова­тельно, и повышения коэффициента теплоотдачи изготовляют двух-, четырех-, шести- и двенадцатиходовые теплообменники.

         Теплообменник типа ТН

1. 1, 12 – крышка (днище); 2 – распределительная камера; 3, 16 – штуцера для ввода и вывода теплоносителя, подаваемого в трубное пространство; 4 – перегородка; 5 – кожух; 6 – трубный пучок; 7 – седловидная опора; 8 – стяжка; 9 – сегментная перегородка; 
2. 10, 14 – штуцера для ввода и вывода теплоносителя, подаваемого в межтрубное пространство; 11, 15 – трубная решетка;
3.  13 – отбойник; 17, 18 – фланцы.
4.          Вследствие жесткого скрепления трубных решеток к кожуху и труб к решеткам под действием разности температур и соответственно удлинения труб и кожуха в местах их крепления возникают температурные напряжения.

         Для теплообменников типа ТН допускаемая разность температур кожуха и труб 30 … 40 °С в зависимости от диаметра кожуха, давления в теплообменнике и конструкционных материалов.

         Теплообменник типа ТК

1 – линзовый компенсатор

         Компенсатор служит для компенсации температурных удлинений труб.

         При различных температурах трубного пучка и кожуха трубки удлиняются или укорачиваются больше, чем кожух. При этом линза расширяется или сжимается и компенсирует разность удлинений. Вследствие этого температурные напряжения в местах соединения трубных решеток с трубами и кожухом незначительны.

         Для теплообменников типа ТК допускается разность температур кожуха и труб, вызывающая разность удлинений ±10 мм (в зависимости от длины их труб).

         Теплообменник типа ТП

• 1 – фланцевая крышка; 2, 17 — штуцера для ввода и вывода теплоносителя, подаваемого в трубное пространство; 
• 3 – распределительная камера; 4 – кожух; 5 – трубный пучок; 6, 15 – штуцера для ввода и вывода теплоносителя, подаваемого в межтрубное пространство; 7 – отбойник; 8 – крышка; 9 – крышка “плавающей головки”; 10 – подвижная трубная решетка; 
• 11 – фланцы; 12 – роликовая опорная платформа; 13 – седловидная опора; 14 – сегментная перегородка; 
• 16 — неподвижная трубная решетка.
•          При нагревании и удлинении труб плавающая головка сво­бодно перемещается (“плавает”) внутри теплообменника; это обес­печивает свободное изменение длины труб.
•          Теплообменник типа ТУ

1. 1 – распределительная камера; 2 – кожух; 3 – U-образные трубы; 4 – седловидная опора; 5 – трубная решетка.
2.          Благодаря такой конструкции этот теплообменник является двухходовым по трубному пространству и имеет свободное удлинение труб.
3.          Теплообменник типа ТПК

1 – распределительная камера; 2, 10 – трубная решетка; 3 – кожух; 4 – трубный пучок; 5, 9 – крышка; 

6 – температурный компенсатор; 7 – кольцо; 8 – фланец; 11 – седловидная опора; 12 – платформа на роликах.

         Теплообменники типа ТПК предназначены для работы при повышенных температуре и давлении. Их применяют для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред.

         Основные узлы кожухотрубных теплообменников.

         Корпуса теплообменников выполняют в виде цилиндрических обечаек из листовых металлов или изготовляют из труб соответ­ствующего диаметра. Корпуса теплообменников изготавливают с условным диаметром 400; (500); 600; 800; 1000; 1200; 1400; 1600; 1800; 2000; 2200 мм. Толщину стенки корпуса определяют при расчете на проч­ность. 

•          Трубная решетка представляет собой диск, в котором высверлены отверстия под трубки, и служит вместе с трубами для разделения трубного и межтрубного пространств. 
•          Решетки изготовляют из цельных стальных листов и поковок. 
•          Отверстия в трубной решетке располагают:
•       — по вершинам равносторонних треугольников (рисунок а);
•       — по вершинам квадратов (рисунок б);
•       — по концентрическим окружностям (рисунок в).

1.          Отверстия в трубных решетках выполняют:
2.       — гладкими (рисунок а);
3.       — с канавками (рисунок б).
4. 
5.          Трубная решетка крепится к кожуху при помощи сварки. Основные способы крепления трубной решетки к кожуху представлены на рисунке:

         Трубки. В теплообменниках применяют бесшовные цельнотянутые трубки диаметром 161,6; 202; 252; 252,5; 382 (383); (573) длиной 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000, 9000 мм. Чаще всего применяют стальные трубки с наружным диаметром 20 и 25 мм. Концы трубок крепят в трубной решетке. Крепление труб в трубных решетках должно обеспечить прочность, герметичность и легкую замену труб. 

         Способы крепления труб представлены на рисунке:

•          а – гладкая развальцовка.
•          б – развальцовка с проточкой.
•          в – пайка.
•          г, д – сварка.
•          е – склейка.
•          Поперечные перегородки устанавливают в меж­трубном пространстве; по назначению они подразделяются на опорные, предназначенные для поддержания расстояний между трубами, и ходовые, предназначенные для направления движения потока среды в межтрубном пространстве поперек теплообменных труб.

         Наиболее широко применяют сегментные перегородки (см. рисунок).

         Диаметр отверстий под трубки в перегородках принимают на 1 мм больше наружного диаметра труб.

         Перегородки крепятся в корпусе при помощи стяжек. Стяжки представляют собой тяги из круглого прутка, пропущенные че­рез отверстия перегородок и трубных решеток. В промежутке между перегородками на стяжки надеты обрезки труб. При навинчивании гаек на концевые резьбовые части тяг образуется жесткий каркас.

         Распределительные камеры и крышки. Распределительные ка­меры предназначены для распределения потока рабочей среды по теплообменным трубам.

Конструктивно распределительная камера может представлять собой эллиптическое фланцевое днище, присоединяемое к трубной решетке, или короткую обечайку, снабженную по краям фланцами, одним из которых она присоеди­няется к трубной решетке, а другим – к плоской или эллиптичес­кой крышке. Крышка может быть приварена к обечайке распределительной камеры.

         Для создания необходимого числа ходов внутри распредели­тельной камеры устанавливают перегородки. Герметизация узла соединения перегородки с трубной решеткой достигается с по­мощью прокладки, уложенной в паз трубной решетки.

1.          Распределительную камеру и крышки снабжают ушками для удобства выполнения монтажных работ.
2.          Плавающая головка. Основные конструкции плавающих головок представлены на рисунке:
3. 1 – трубная решетка; 2 – эллиптическая крышка; 3 – стяжные полукольца; 4 – стяжной винт; 5 – прокладка; 
4. 6 – накидной фланец;  7 – разъемное кольцо; 8 – стяжная шпилька; 9 – фланец.

         Компенсатор – весьма ответственный элемент аппарата. Его применяют для компенсации температурных напряжений. Компенсатор должен обладать большой гибкостью, поэтому его делают значительно тоньше кожуха теплообменника.

•          Основные конструкции компенсаторов:
•       — Линзовый компенсатор (рисунок а).
•       — Компенсатор из плоских листов (рисунок б).
•       — Компенсатор из изогнутых трубок (рисунок в).
•       — Компенсатор в виде утолщенной части корпуса (рисунок г). 

Кожухотрубчатые теплообменники. Теплообменники жесткого типа. Преимущества и недостатки. Способы крепления трубной решетки к корпусу. Теплообменники с компенсатором

Кожухотрубчатые теплообменники — наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры.

По ГОСТ 9929 стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: ТН — с неподвижными трубными решетками; ТК — с температурным компенсатором на кожухе; ТП — с плавающей головкой; ТУ — с U-образными трубами; ТПК — с плавающей головкой и компенсатором на ней (рис. 2.19).

В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно- и многоходовыми.

Кожухотрубчатый аппарат с неподвижной трубной решеткой (типа ТН) представлен на рис. 2.20.

Такие аппараты имеют 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.

Теплообменники этой группы изготовляют на условное давление 0,6…4,0 МПа, диаметром 159…1200 мм, с поверхностью теплообмена до 960 м2; длина их до 10 м, масса до 20 т. Теплообменники этого типа применяют до температуры 350 °С.

Предусмотрены различные варианты материального исполнения конструктивных элементов теплообменных аппаратов. Корпус аппарата изготовляют из сталей ВСтЗсп, 16ГС или биметаллическим с защитным слоем из сталей 08X13, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т.

Для трубного пучка применяют трубы из сталей 10, 20 и Х8 с размерами 25×2, 25×2,5 и 20×2 мм, из высоколегированных сталей 08X13, 08Х22Н6Т, 08Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т с размерами 25×1,8 и 20×1,6 мм, а также трубы из алюминиевых сплавов и латуни.

Трубные решетки изготовляют из сталей 16ГС, 15Х5М, 12Х18Н10Т, а также биметаллическими с наплавкой высоколегированного хромоникелевого сплава или слоя латуни толщиной до 10 мм.

1 — кожух; 2 — трубки; 3 — трубная решетка; 4 — крышки; 5 — штуцера

Рисунок 2.19. Основные типы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов:

а) – с неподвижными решетками (ТН) или с компенсатором на кожухе (ТК); б) – с плавающей головкой; в) – с U-образными трубками

Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки с корпусом. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого

типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху в стальных приведены на рис. 2.21.

Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках размещают 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.

Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы (рис. 2.

22а) или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха (рис. 2.22б).

Рис. 2.21. Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху аппарата

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

Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то в результате теплового расчета 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.

Двухходовой горизонтальный теплообменник типа ТН (рис. 2.23) состоит из цилиндрического сварного кожуха 5, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух трубных решетках 3. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами.

В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 1, 12) и межтрубного (штуцера 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.

Достоинством аппаратов этого типа является простота конструкции и, следовательно, меньшая стоимость.

Однако им присущи два крупных недостатка. Во-первых, очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому теплообменники такого типа применяются в тех случаях, когда среда, проходящая через межтрубное пространство, является чистой, не агрессивной, т. е. когда нет необходимости в чистке.

Во-вторых, существенное различие между температурами трубок и кожуха в этих аппаратах приводит к большему удлинению трубок по сравнению с кожухом, что обусловливает возникновение температурных напряжений в трубной решетке 5, нарушает плотность вальцовки труб в решетке и ведет к попаданию одной теплообменивающейся среды в другую. Поэтому теплообменники этого типа применяют при разнице температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство не более 50 °C и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Теплообменные аппараты с температурным компенсатором типа ТК (рис. 2.24) имеют неподвижные трубные решетки и снабжены специальными гибкими элементами для компенсации различия в удлинении кожуха и труб, возникающего вследствие различия их температур.

Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК отличается от теплообменника типа ТН наличием вваренного между двумя частями кожуха 1 линзового компенсатора 2 и обтекателя 3 (рис. 2.25). Обтекатель уменьшает гидравлическое сопротивление межтрубного пространства такого аппарата; обтекатель приваривают к кожуху со стороны входа теплоносителя в межтрубное пространство.

Наиболее часто в аппаратах типа ТК используют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы), изготовляемые обкаткой из коротких цилиндрических обечаек. Линзовый элемент, показанный на рисунке 2.25б, сварен из двух полулинз, полученных из листа штамповкой.

Компенсирующая способность линзового компенсатора примерно пропорциональна числу линзовых элементов в нем, однако применять компенсаторы с числом линз более четырех не рекомендуется, так как резко снижается сопротивление кожуха изгибу.

Для увеличения компенсирующей способности линзового компенсатора он может быть при сборке кожуха предварительно сжат (если предназначен для работы на растяжение) или растянут (при работе на сжатие).

При установке линзового компенсатора на горизонтальных аппаратах в нижней части каждой линзы сверлят дренажные отверстия с заглушками для слива воды после гидравлических испытаний аппарата.

Рис. 2.24. Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК

Конструкции кожухотрубных теплообменников

Теплообменные аппараты являются самыми многочисленными среди других аппаратов технологической установки НПЗ и могут достигать от 40 до 50% по массе и стоимости всего оборудования.

В зависимости от технологического процесса осуществляется теплообмен между двумя потоками один из которых нагревается за счет тепла другого, одновременно охлаждая второй. Процессом теплообменника может являться нагрев холодного потока, охлаждение горячего, либо тот и другой процесс одновременно.

Высокоэффективность теплообменных аппаратов дает возможность снизить потребление энергоресурсов на производстве.

Большинство теплообменников применяемых нефтепереработки – кожухотрубчатые жесткого типа с компенсаторами на корпусе, U-образными трубами, с плавающей головкой. Они состоят из распределительной камеры, оснащёнными патрубками, цилиндрического корпуса с патрубками и трубных решеток. Такая конструкция имеет большую площадь теплообмена между продуктами и малые габаритные размеры.

Теплообменник с жесткотрубной конструкцией

Рассмотрим принцип работы теплообменника с жестким методом крепления труб в трубных решетках – ТН.

В трубное пространство подаётся холодный теплоноситель через распределительную камеру. Поток проходит первый ход по трубам, разворачивается в задней камере и поступает во второй ход.

Межтрубное пространство – прохождение продукта

В межтрубное пространство направляется горячий продукт через входной патрубок. Внутри корпуса аппарата монтируются перегородки, чтобы удлинить путь прохождения продукта, создать турбулентность и снизить вероятность отложения механических примесей в корпусе ставятся поперечные перегородки. Они, также, предотвращают изгибание труб.

Во время контакта продуктов с разными температурами через стенки трубного пучка происходит теплообмен. Горячий охлаждается холодный нагревается.

Недостатки жесткотрубных теплообменников ТН

Из-за отсутствия свободного хода пучка теплообменных труб максимальная разница температур сред ограничена, как правило не более 40 – 50 градусов Цельсия в зависимости от используемых конструкторских материалов. При большой разнице температур продуктов, более 50 градусов, происходит деформация аппарата, которая может вызвать его разрушение.

Теплообменник с линзовым компенсатором

Линзовые компенсаторы устанавливают на аппаратах небольшого диаметра и работающих при невысоком давлении.
Увеличение или уменьшение длины труб из-за температурного воздействия компенсируется температурными компенсаторами на корпусе аппарата.

Такой аппарат расширяет диапазон работы по температуре, но ограничивает возможность применения по давлению.

Теплообменники с плавающей головкой

На заводах широко применяются теплообменные аппараты с самостоятельной компенсацией термических расширений, которые называют теплообменники с плавающей головкой.
Конструктивное отличие в том, что они имеют плав.

головку, которая не прикреплена к корпусу аппарата. Такая конструкция позволяет трубному пучку свободно передвигаться при линейном расширении труб, не создавая напряжений и имея возможность свободно деформироваться.

Конструкция теплообменников типа ТП получила наибольшее распространение на НПЗ. Их конструкция дает возможность разобрать аппарат для его очистки от загрязнений.

Характеристики теплообменных аппаратов типа ТН, ТК, ТП, ТУ

ВИДЕО: виды и конструкция ТА

Кожухотрубные теплообменники принцип работы и устройство

Запросить цену

Среди всех разновидностей теплообменников этот вид наиболее распространен. Его применяют при работе с любыми жидкостями, газовыми средами и парообразными, в том числе, если состояние среды меняется в процессе перегона.

История появления и внедрения

Изобрели кожухотрубные (или кожухотрубчатые) теплообменники в начале прошлого века, дабы активно использовать при работе ТЭС, где большое количество нагретой воды перегонялось при повышенном давлении. В дальнейшем изобретение стали использовать при создании испарителей и нагревающих конструкций.

С годами устройство кожухотрубного теплообменника совершенствовалось, конструкция стала менее громоздкой, ее теперь разрабатывают так, чтобы было доступно чистить отдельные элементы. Чаще стали применять подобные системы в нефтеперегонной промышленности и производстве бытовой химии, поскольку продукты этих отраслей несут в себе массу примесей.

Их осадок как раз и требует периодической чистки внутренних стенок теплообменника.

Устройство кожухотрубного теплообменника

Как мы видим на представленной схеме, кожухотрубный теплообменник состоит из пучка трубок, которые расположены в своей камере и закреплены на доске либо решетке. Кожух – собственно, название всей камеры, сваренной из листа не менее 4 мм (или больше, в зависимости от свойств рабочей среды), в которой находятся мелкие трубки и доска. В качестве материала для доски используют обыкновенно листовую сталь. Между собой трубки соединяются патрубками, имеются также вход и выход в камеру, отвод для конденсата, перегородки.

В зависимости от количества труб и их диаметра, колеблется мощность теплообменника. Так, если передающая тепло поверхность составляет около 9 000 кв. м., мощность теплообменника составит 150 МВт, это пример работы паровой турбины.

Устройство кожухотрубного теплообменника подразумевает соединение сварных труб с доской и крышками, которое может быть разным, равно как и изгиб кожуха (в виде буквы U или W). Ниже представлены типы устройств, наиболее часто встречающиеся на практике.

Еще одной особенностью устройства является расстояние между трубами, которое в 2-3 раза должно превышать их сечение. Благодаря чему коэффициент отдачи тепла является небольшим, и это способствует эффективности всего теплообменника.

Принцип работы кожухотрубного теплообменника

Исходя из названия, теплообменник – это устройство, создаваемое с целью передать вырабатываемое тепло на нагреваемый предмет. Теплоносителем в данном случае выступает конструкция, описанная выше. Работа кожухотрубного теплообменника заключается в том, что холодная и горячая рабочие среды двигаются по разным кожухам, и теплообмен происходит в пространстве между ними.

Рабочей средой внутри труб является жидкость, в то время как горячий пар проходит в расстоянии между труб, образуя конденсат. Поскольку стенки труб нагреваются больше, чем доска, к которой они прикреплены, эту разность необходимо компенсировать, иначе бы устройство имело значительные потери тепла. Для этого применяются так называемые компенсаторы трех типов: линзы, сальники или сильфоны.

Также, при работе с жидкостью под высоким давлением используют однокамерные теплообменники. Они имеют изгиб U, W-образного типа, необходимое чтобы избежать высоких напряжений в стали, вызываемых тепловым удлинением. Их производство достаточно дорогое, трубы в случае ремонта сложно заменить. Поэтому такие теплообменники пользуются меньшим спросом на рынке.

Виды кожухотрубчатых теплообменников

В зависимости от способа крепления труб к доске или решетке, выделяют:

• Приваренные трубы;
• Закрепленные в развальцованных нишах;
• Соединенные болтами с фланцем;
• Запаянные;
• Имеющие сальники в конструкции крепежа.

По типу конструкции кожухотрубные теплообменники бывают (см. рисунок-схему выше):

• Жесткие (буквы на рис. а, к), нежесткие (г, д, е, з, и) и наполовину жесткие (буквы на рис. б, в и ж);
• По количеству ходов – одно- или многоходовые;
• По направлению тока технической жидкости – прямого, поперечного или против направленного тока;
• По расположению доски горизонтальные, вертикальные и расположенные в наклонной плоскости.

Широкие возможности кожухотрубного теплообменника

1. Давление в трубках может достигать разных значений, от вакуума до наивысших;
2. Можно достичь необходимого условия по термическим напряжениям, при этом цена устройства существенно не поменяется;
3. Размеры системы тоже могут быть различными: от бытового теплообменника в ванную комнату до промышленного площадью 5000 кв. м.;
4. Нет необходимости предварительно очищать рабочую среду;
5. Для создания сердцевины используют разные материалы, в зависимости от затрат на производство. Однако все они соответствуют требованиям температуры, давления и устойчивости к коррозии;
6. Отдельный участок труб можно извлечь для чистки или ремонта.

Есть ли у конструкции недостатки? Не без них: кожухотрубчатый теплообменник весьма громоздкий. Из-за своих габаритов он нередко требует отдельного технического помещения. Ввиду большой металлоемкости стоимость изготовления такого устройства тоже велика.

Вывод и рекомендации

В сравнении с теплообменниками U, W-трубчатыми и с неподвижными трубками кожухотрубные имеют больше преимуществ и являются эффективнее. Поэтому их чаще покупают, несмотря на высокую стоимость. С другой стороны, самостоятельное изготовление подобной системы вызовет большие трудности, а скорее всего, приведет к значительным потерям тепла в процессе работы.

Особое внимание при эксплуатации теплообменника следует уделять состоянию труб, а также настройке в зависимости от конденсата. Любое вмешательство в систему приводит к изменению площади теплообмена, поэтому ремонт и пуско-наладку должны производить обученные специалисты.

Вас может заинтересовать:

Теплообменное оборудование Кожухотрубные теплообменники

Рекомендуемые статьи

• Методы изготовления металлоконструкцийВ зависимости от способа эксплуатации, готовые металлические изделия могут трансформироваться, разбираться или иметь стационарную конструкцию. Используемые методы изготовления металлоконструкций зависят от особенностей объекта, на котором они будут эксплуатироваться. К примеру, для быстровозводимых сооружений обычно используются легкие металлоконструкции, каркас зданий практически любых типов состоит из упрочненного…
• Эксплуатация воздухосборниковВоздухосборник (ресивер) представляет собой сосуд со сжатым газом, предназначенный для нормализации давления в трубопроводах, гашения пневматических ударов, создаваемых компрессорным оборудованием, обеспечения требуемого режима работы, сбора и удаления конденсата. Эксплуатация и обслуживание воздухосборников выполняются в соответствии с нормативами, предусмотренными для аппаратов, работающих под давлением.
  Общие…
• Какой теплообменник лучше?Нагрев и охлаждение жидкостей является необходимым этапом в ряде технологических процессах. Для этого используются теплообменники. Принцип действия оборудования основан на передаче тепла от теплоносителя, функции которого выполняет вода, пар, органические и неорганические среды. Выбирая, какой теплообменник лучше для конкретного производственного процесса, нужно базироваться на особенностях конструкции и материала, из…
• Виды сепараторов нефтиНефтегазовый сепаратор – это устройство, в котором нефть отделяется от попутного газа (или вода отделяется от нефти) за счет различной плотности жидкостей. Бывают горизонтальные, вертикальные и гидроциклонные сепараторы.
  Основные области применения сепараторов нефти: нефтехимическая, нефтеперерабатывающая и прочие сферы, где требуется разделение нефтяных эмульсий. Принцип работы сепаратора нефти
  Процесс отделения нефти…