Кожухотрубні теплообмінники

Основними елементами кожухотрубних теплообмінників є пучки труб, трубні решітки, корпус, кришки, патрубки. За ГОСТ 9929-82 виготовляють апарати таких типів:

Н – з нерухомими трубними решітками (плитами);

К – з температурним компенсатором на кожусі;

П – з плаваючою голівкою;

У – з U-подібними трубами;

ПК – з плаваючою головкою і компенсатором на ній.

У характеристику теплообмінника входять:

- поверхня теплообмінника;

- тиск в трубному й міжтрубному просторі;

- діаметр кожуха;

- довжина, діаметр і товщина стінок теплообмінних труб,

- габарити теплообмінника.

У кожухотрубних теплообмінниках теплота між теплоносіями передається через стінку. Стінка найчастіша трубчаста.

В залежності від величини температурних подовжень трубок і корпусу застосовують апарати жорсткої, напівжорсткої і нежорсткої конструкції. При невеликих різницях температур між трубками і корпусом використовують апарати жорсткої конструкції, в яких трубні решітки приварені до корпусу (апарати типу Н – рис. 6.1, а). В апаратах напівжорсткої конструкції температурні деформації компенсуються осьовим стисненням або розширенням лінзових компенсаторів (апарати типу К – рис. 6.1, б), при цьому забезпечується компенсація, яка не перевищує 10÷15 мм, Р = 0,25 МПа. В апаратах нежорсткої конструкції трубки і корпус мають можливість деякого переміщення, що дозволяє усунути додаткові напруги, які виникають від температурних подовжень. Можливість переміщення досягається сальниковими ущільненнями на патрубку або корпусі, застосуванням апаратів з плаваючою головкою (рис. 6.1, в) або апаратів з пучком U-подібних труб (рис. 6.1, г), або апаратів з плаваючою головкою і компенсатором на ній (рис. 6.1, д).

Теплообмінники типу Н відносяться до апаратів жорсткої конструкції. Апарат типу «Н» (рис. 6.1, а) складається з верхньої 1 і нижньої кришки 8 з фланцями 14, корпусу 3, трубок 4, перегородок в міжтрубному просторі 5, вхідного 12 і вихідного 6 патрубків гріючого теплоносія, вхідного 10 і вихідного 9 патрубків теплоносія, що нагрівається, верхньої і нижньої трубних плит 2, перегородки в нижній кришці 11. Теплообмінник встановлюється на лапи 13. «Гарячий» теплоносій подається у патрубок 12, поперечно обтікає пучок теплообмінних труб 4, рухається в міжтрубному просторі апарата 5 між перегородками 15 і виходить через патрубок 6. Теплоносій, що нагрівається («холодний») входить у патрубок 10, проходить всередині труб 4 (трубному просторі),під верхньою кришкою 1 повертає у зворотному напрямку і рухається по внутрішньому простору другої частини труб 4. Потік нагрітої рідини виходить з теплообмінника через патрубок 9. Під нижньою кришкою 8 вхідний і вихідний потоки розділяються перегородкою 11. За рахунок теплопередачі теплота через стінки труб переходить від гарячого теплоносія до холодного. Трубчаста поверхня нагрівання закріплюється у верхній та нижній трубних решітках (плитах) 2, котрі, у свою чергу, приварюються до корпусу 3. Верхня 1 та нижня 8 кришки з’єднуються з корпусом за допомогою фланців 14 через прокладку 7. Теплообмінник маже бути одно-, дво- і багатоходовим (чотирьох і шести). За розташуванням у просторі теплообмінники бувають горизонтальні, вертикальні, похилі.

Різниця температурних подовжень в теплообмінниках типу Н зростає, якщо кожух (корпус) і трубки виготовлені з різних матеріалів (різні коефіцієнти лінійного розширення). Теплообмінники типу Н використовують при Δ t< 50°C між кожухом і трубками. При пуску апаратів типу Н рекомендується спочатку направляти теплоносій в міжтрубний простір, а потім вже в трубний. Рекомендована швидкість теплоносія: для рідин 1÷3 м/с, газів 8÷30 м/с. Переваги: простота й дешевизна; недоліки: складність очищення від забруднень зовнішньої поверхні труб.

а	б	в

г
д
е	є

Рис. 6.1. Типові конструкції кожухотрубних теплообмінників:

а) апарат жорсткої конструкції, б) з лінзовим компенсатором:

1 – верхня кришка; 2 – трубна плита; 3 – корпус; 4 – труби; 5 – перегородки; 6 – вихідний патрубок гріючого теплоносія; 7 – прокладки; 8 – нижня кришка; 9 – вихідний патрубок теплоносія, що нагрівається; 10 – вхідний патрубок теплоносія, що нагрівається;

11 – перегородка; 12 – вхідний патрубок гріючого теплоносія; 13 – лапи; 14 – фланці;

15 – поперечні перегородки; 16 – температурний компенсатор;

в) з плаваючою головкою: 1 – нерухома трубна решітка; 2 – рухома трубна решітка; 3 – корпус; 4 – кришка плаваючої головки; 5 – кришка теплообмінника;

г) з U -подібними трубками: 1 – U -подібна трубка; 2 – корпус; 3 – трубна решітка;

4 – розподільна камера; 5 – перегородка розподільної камери; 6 – поперечні перегородки міжтрубного простору; фланці;

д) з плаваючою головкою і компенсатором на ній: 1 – плаваюча головка; 2 – кришка;

3 – горловина; 4 – компенсатор; 5 – штуцер теплообмінника; 6 – трубний пучок; 7 – корпус;

е) з розширювачем на корпусі: 1 – розширювач; 2 – розподільник; 3 – корпус;

є) секційний (елементний): 1 – корпус; 2 – труба; 3 – трубна плита; 4 – кришка; 5 – коліно;

6 – перехідні патрубки; 7 – прокладка.

Теплообмінники типу К. Теплообмінники цього типу відносяться до апаратів напівжорсткої конструкції. Для часткової компенсації температурних напруг використовують гнучкі елементи (розширювачі й компенсатори), розташовані на корпусі (рис. 6.1, б).

Температурна напруга виникає в результаті того, що кожух і труби теплообмінника мають різну температуру. Температура кожуха близька до температури гріючого теплоносія, що рухається у міжтрубному просторі, а трубок – до температури теплоносія з більшим коефіцієнтом тепловіддачі. Тому під дією різних температур кожух і трубки мають різну величину лінійного подовження, що спричиняє деформацію елементів теплообмінника. Температурні деформації компенсуються осьовим стисненням або розширенням компенсаторів. Найбільш часто використовують одно- (рис. 6.2, б) і багатоелементні (рис. 6.2, в) лінзові компенсатори. Вони виготовляються обкаткою з коротких циліндричних обичайок. Напівлінзи виготовляють з листа штампуванням. Компенсуюча здатність лінзового компенсатора приблизно пропорційна їхній кількості, проте застосовувати більше 4-х не рекомендується, оскільки знижується опір кожуха вигину. Для збільшення компенсуючої здатності лінзового компенсатора можна його заздалегідь стиснути або розширити. На горизонтальних апаратах в нижній частині лінз свердлять дренажні отвори для зливу води після гідравлічних випробувань.

а	б	в	г	д	е

Рис. 6.2. Типи компенсаторів:

а) однолінзовий; б) зварений з двох напівлінз; в) двохлінзовий; г) з плоских кілець; д) з двох напівсферичних елементів; е) тороїдальний;

1 – лінза; 2 – напівлінзи; 3 – кільця; 4 – циліндрична пластина; 5 – труба.

Крім лінзових, використовуються компенсатори, виготовлені з плоских паралельних кілець 3 (рис. 6.2, г), з’єднаних між собою циліндричною пластиною 4 по ободу кілець, або зварених із двох напівсферичних елементів (рис. 6.2, д).

Тороїдальні компенсатори (рис. 6.2, е) дешеві та прості у виготовленні. Трубу 5 гнуть у тор, а потім вирізають частину труби по внутрішній поверхні тора, а кінці приварюють до корпусу.

Компенсатори типу г, д, е не мають широкого застосування через важкі умови роботи зварного шва.

В апаратах з розширенням (рис. 6.1, е) розширювач 1 на кожусі 3 компенсує напругу, а розподільник 2 дозволяє виключити застійні зони в міжтрубному просторі.

Область використовування апаратів типу К обмежена надлишковим тиском 2,5 МПа.

Теплообмінники типу П відносяться до апаратів нежорсткої конструкції. В цих теплообмінниках (рис. 6.1, в) одна трубна решітка 1 нерухомо зв'язана з корпусом 3, а друга 2 може вільно переміщатися в осьовому напрямку. Рухома трубна решітка 2 разом з кришкою 4 утворює плаваючу головку. З боку плаваючої головки апарат закривається кришкою 5. Лінійне переміщення плаваючої головки компенсує виникаючі температурні напруги. В горизонтально розміщених апаратах для забезпечення вільного переміщення трубний пучок забезпечують опорною платформою. Поперечні перегородки в горизонтальних апаратах призначені для підтримки труб і додання жорсткості, а у вертикальних – для отримання багатоходової конструкції. В апаратах типу П забезпечується хороша компенсація температурних деформацій, але ця компенсація неповна. Різність розширень самих трубок може призводити до короблення трубної решітки.

Зазор між пучком труб і корпусом повинен бути якомога меншим. Конструкція плаваючої головки повинна забезпечити мінімальний зазор і легкість витягання трубного пучка з корпусу. Існують такі способи кріплення решіток і кришки плаваючої головки (рис. 6.3): а) розрізним фланцем; б) розрізною скобою; в) розрізним кільцем; г) розрізним стрижньовим кільцем.

В одному з таких простих з’єднань використані розрізні фланці (рис. 6.3, а). Конструкція складається з розрізного фланця 1 (два напівкільця стягнуті обмежувальним кільцем 2), ущільнюючої прокладки 3, кришки плаваючої головки 4 і трубної решітки 5.

Широко розповсюджені з’єднання фланцевою скобою 2 (рис. 6.3, б). З’єднання складається з двох напівкілець, що охоплюють край трубної решітки 4 і фланець кришки 3. Гвинти 1 розміщують посередині ущільнення, що забезпечує розвантаження фланця від вигинаючих моментів.

В іншій конструкції (рис. 6.3, в) накидний фланець 1 утримується розрізним кільцем 2, вставлений у паз трубної решітки 3.

Використовується конструкція з’єднання (рис. 6.3, г), що має кришку 3, трубну решітку 4 і розрізне кільце 1, половинки якого з’єднані між собою накладками 2.

а	б	в	г
Рис. 6.3. Способи кріплення решітки і кришки плаваючої головки:   а) розрізним фланцем; б) розривною фланцевою скобою; в) розривним кільцем; г) розривним зтягуючим кільцем.

Теплообмінники типу U відносяться до апаратів нежорсткої конструкції. В кожухотрубних апаратах цієї конструкції (рис. 6.1, г) забезпечується вільне подовження труб, що виключає можливість виникнення температурних напруг. Вони складаються з кожуха 2 і трубного пучка з однією трубною решіткою 3, у яку вставлені U -подібні труби 1. Трубна решітка разом з розподільною камерою 4 закріплюється до кожуха апарату на фланці. Роздільне введення та виведення теплоносія, що рухається по трубах, забезпечується перегородкою 5. Теплообмінники є двоходовими по трубному простору і одно- або багатоходовими – по міжтрубному. Якщо теплообмінник двоходовий по міжтрубному простору, то встановлюється поздовжня перегородка по центру міжтрубного простору (на рис. 6.1, г не показано). Багатоходовість забезпечується поперечними перегородками 6. В апаратах такого типу кожна труба може подовжуватись незалежно від кожуха і сусідніх труб.

Одним з найбільш розповсюджених дефектів U -подібних теплообмінників є порушення герметичності вузла з’єднання труб з трубною решіткою внаслідок досить значних вигинальних напруг, що виникають від маси труб і середовища, що протікає в них. У зв’язку з цим теплообмінні апарати діаметром від 800 мм і більше постачають роликовими опорами.

Різниця температур стінок труб 1 по ходах не повинна перевищувати 100°С для виключення небезпечних температурних напруг в трубній решітці. Зовнішня поверхня труб незручна для механічного очищення, тому в міжтрубний простір рекомендується подавати середовище, яке не утворює відкладень. Внутрішню поверхню очищають хімічними реагентами або потоком рідини, яка містить абразивний матеріал. Ці апарати не знайшли широкого застосування.

Перевага U -подібних апаратів – можливість періодичного виймання трубного пучка для очищення зовнішньої поверхні труб або повної заміни пучка. Очищення труб не дуже зручне.

Недоліки: не досить повне заповнення кожуха трубами внаслідок U -подібного повороту, а також неможливість заміни труб (за винятком крайніх при виході їх з ладу) та складність розміщення труб у трубній решітці.

Теплообмінники типу ПК (рис. 6.1. д) відносяться до апаратів нежорсткої конструкції. Вони відрізняються від інших апаратів наявністю на кришці 2 подовженого штуцера (горловини) 3, на якому розміщено компенсатор 4. Він з’єднується одним кінцем з плаваючою головкою 1, а іншим – зі штуцером 5 на кришці теплообмінника. Ця конструкція надає можливість витягти трубний пучок 6 з корпусу 7 для контролю за станом поверхні нагрівання та механічного очищення труб.

Компенсація температурних напруг забезпечується гнучким елементом (компенсатором), встановленим на плаваючій головці. Теплообмінники виконуються одноходовими з протитечійним рухом теплоносіїв. Компенсатори встановлюють на подовженому штуцері, вони відрізняються меншим діаметром, великою кількістю гофрів і меншою товщиною стінки. Перепад тиску не повинен перевищувати 2,5 МПа, тому теплоносії необхідно подавати в теплообмінник одночасно в трубний і міжтрубний простір.