Елементи кожухотрубних апаратів

Кожухи з діаметром d <600 мм виготовляють з труб, а при d ≥600 мм вальцюють з листів сталі. При великих довжинах кожуха його виготовляють з трьох обичайок, які зварюють між собою: центральної і двох кінцевих. Довжина кінцевих обичайок (D_зовн – зовнішній діаметр кожуха, l – товщина стінок), вона не повинна бути меншою за 100 мм. Товщина кінцевих обичайок повинна перевищувати товщину центральної в 1,2¸1,4 рази для компенсації температурних напруг. Для теплообмінників типу U, П, ПК кожух повинен мати стійку форму для забезпечення витягання трубного пучка з кожуха, оскільки зазор між трубами і корпусом невеликий.

Розподільні камери розподіляють потік по трубах. Вони являють собою обичайку з фланцями і плоску або еліптичну кришки, всередині яких розташовані перегородки для утворення ходів. Для апаратів з d <800 мм кришки виконуються плоскими. Товщина стінок приймається рівній товщині корпусу. Камеру і кришку виготовляють з одного матеріалу.

Труби і трубні решітки. Труби серійно випускаються промисловістю з вуглецевих, корозійностійких сталей і латуні. Сталеві труби мають зовнішній діаметр 20; 25 мм. Для забруднених і в'язких рідин – 38; 57 мм. Довжина труби 5¸7 м. Схема розташування труб в трубних решітках для теплообмінників типу Н і К – по вершинах рівнобічних трикутників; типу П, U, ПК – по вершинах квадратів або рівнобічних трикутників. Переважно з умов компактності й очищення доцільніше розташовувати труби по вершинах трикутників. По концентричних колах труби розташовують лише в кисневій апаратурі. Трикутники утворюють шаховий пучок, квадрати – коридорний. Крок труб t =(1,2¸1,4) d_зовн. Труби з решітками з’єднують: 1 – розвальцьовуванням в одній або двох канавках (канавки усередині отвору трубних решіток); 2 – розвальцьовуванням зі зварюванням; 3 – зварюванням по зовнішньому діаметру або по торцю труби в отворі решіток; 4 – розвальцьовуванням в гладкому стані з відбортуванням; 5 – склеюванням. Для забезпечення якісного розвальцьовування зазор між трубою й решіткою в отворі приймається рівним 0,25 мм. Твердість трубних решіток повинна перевищувати твердість труби.

Трубні решітки виготовляють з цільних сталевих листів або поковок. Для апаратів з великим діаметром кожуха використовують зварні трубні решітки. Шви не повинні перетинатися, а відстань від шва до отвору не менше 0,8 d_отвору.

При розвальцьовуванні кінець труби повинен виступати на товщину труби. Глибина розвальцьовування – 1,5 d_тр, а якщо товщина решітки менша за 1,5 d_тр, – на всю товщину решітки. З боку міжтрубного простору залишається нерозвальцьованим поясочок шириною 3 мм, щоб не підрізати трубу. Розвальцьовування застосовується до Р_роб =0,6 МПа.

З'єднання трубок з трубними решітками повинне бути щільним і міцним. Це з'єднання здійснюють вальцюванням, приварюванням, приклеюванням, зачеканюванням або за допомогою сальникового ущільнення (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Кріплення труб в трубних решітках:

а – вальцювальне з’єднання; б – вальцювальне з’єднання з кільцевими канавками;

в – вальцювальне з’єднання з розсвердленим на конус отвором; г – вальцювальне з’єднання з відбортованими кінцями труб; д – з'єднання трубок з трубними решітками шляхом пайки;

е –з'єднання трубок з трубними решітками шляхом приклеювання; є –з'єднання трубок з трубними решітками шляхом приварювання; ж – кріплення труб з крихких матеріалів;

з – сальникове кріплення труб.

Перед вальцюванням кінці труб і отвору в трубних решітках ретельно обробляються (чистота поверхні v6–v7, зазор між трубою і отвором не повинен перевищувати 1% від діаметру) і набираються в пучок. Потім інструментом (вальцівкою) кінці труб піддають внутрішній обкатці. Роликами вальцівки в стінках труб створюються залишкові пластичні, а в трубних решітках – пружні деформації. Після обкатки матеріал трубних решіток повертається в первинне положення і щільно обжимає трубки.

Вальцювальне з'єднання (рис. 6.4, а)витримує певні зусилля. Для збільшення зусилля, що допускається, можна використовувати такі способи:

- в отворах трубних решіток перед розвальцьовуванням роблять дві
кільцеві канавки завглибшки 0,5÷0,8 мм (рис. 6.4, б);

- отвір в трубній плиті спочатку виготовляють циліндричним, а в кінці розсвердлюють на конус. Після розвальцьовування кінець труби також набуває форму конуса, що розширяється (рис. 6.4, в);

- кінці труб, що виступають над трубними решітками, відбортовуються. Для плавної відбортовки отвір в трубній дошці закінчується фаскою (рис. 6.4, г).

Приварювання труб до трубних решіток (рис. 6.4, є)забезпечує міцність і щільність з'єднання, але у разі виходу з ладу окремої труби заміна її неможлива.

Припаювання трубок (рис. 6.4, д) набуло поширення в апаратах глибокого охолодження, що виготовляються з міді і латуні. У цьому випадку застосовувати вальцювання не можна, зважаючи на малі діаметри трубок і малу пружності міді.

Приклеювання застосовується для кріплення труб до трубних решіток, виготовлених з полімерних матеріалів (рис. 6.4, е).

За допомогою зачеканювання свинцем виготовляється ущільнення чавунних труб в чавунних або сталевих трубних решітках.

Сальникове кріплення труб (рис. 6.4, і)в трубних решітках одночасно служить і компенсатором температурних подовжень, але воно складнеу виготовленні, монтажі і вимагає збільшеної відстані між осями сусідніх трубок (кроку трубок).

Кріплення труб з крихких матеріалів (кераміка, феросилід і т.ін.) показане на рис. 6.4, з.

Основні розміри деталей теплообмінників. Для кожухотрубних теплообмінників нормалями НІІхіммашу рекомендуються такі діаметри і кроки трубок:

Діаметри трубок, мм…………...	25/21	38/34	57/52
Крок трубок, мм……………….

Крок трубок визначають в залежності від способу їх кріплення. Якщо трубки приварюються або припаюються, то крок t =1,25 d_зовн.. При сальниковому ущільненні трубок t = d_зовн + 9 мм. При розвальцьовуванні t = (1,3÷1,6) d_зовн,

Цими ж нормалями встановлені такі основні розміри теплообмінників жорсткої і напівжорсткої конструкцій:

довжини трубок (мм): 1000, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000;

поверхні нагріву (м²): 1; 1,6;2,5; 4; 6; 10; 12; 16; 20; 25;30; 40; 50; 60; 80; 100; 125; 140; 160; 180; 200; 225; 250; 280; 320; 360; 400; 450; 500; 550; 600; 700; 800; 900; 1000; 1250; 1400; 1600; 1800; 2000;

зовнішні діаметри корпусів теплообмінників, що виготовляються з готових труб (мм):159, 273, 325;

внутрішні діаметри корпусів, що виготовляються зварюванням з листів (мм):400, 600, 800, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000.

Арматура теплообмінників. Згідно з правилами Держтехнагляду на кожному апараті, що працює під тиском, необхідно встановлювати таку арматуру:

- манометр з триходовим краном;

- важільний або пружинного запобіжний клапан, або запобіжну пластинку;

- пристрій для відведення конденсату;

- покажчик рівня конденсату;

- пристрій для відведення повітря або інших інертних газів із зони конденсації;

- пристрої для вимірювання температури.

Перегородки. В кожухотрубних апаратах встановлюють поперечні та повздовжні перегородки. Поперечні перегородки розміщують у міжтрубному просторі теплообмінника. Вони призначені для організації руху теплоносіїв в напрямку, перпендикулярному осі трубок, збільшення його швидкості і виконують роль опор трубного пучка, зменшують вібрацію труб. Повздовжні змінюють напрям руху теплоносія, а також збільшують його швидкість. Конструкції поперечних перегородок в міжтрубному просторі бувають (рис. 6.5, а): сегментні 1; секторні 2; з щілистим вирізами 3; з чергуванням дисків і кілець (концентричні) 4; суцільні 5.

а
б	в

Рис. 6.5. Конструкції поперечних перегородок:

а – конструкції поперечних перегородок; б – сегментні; в – концентричні.

Найпоширенішою є сегментна перегородка. Висота сегменту, що вирізається, складає 1/3 діаметру апарату, відстань між перегородками – 0,5 D_ап. У суцільних перегородках рідина протікає в щілині між трубою і плитою перегородки. Зазор, який складає близько 1,5 мм, сприяє турбулізації потоку. Секторні вирізи розташовують у шаховому порядку, за площею виріз дорівнює чверті кола. Для усунення застійних зон на кінцях трубного пучка встановлюють розподільні циліндри. Товщина перегородок не менше 6 мм.

Прокладки використовуються металеві, паронітові, фторопластові, азбометалеві.

Розподільні вставки.

Одним з недоліків кожухотрубних теплообмінних апаратів є значна нерівномірність розподілу швидкостей потоку по трубах апарату. Наслідком цього є низька тепловіддача в бокових трубах, що призводить до зниження ефективності роботи, перегріванню цих труб, і, крім того, при повільній течії і високій в’язкості теплоносія можливе відкладення різних осадів, підгоряння продукту. На практиці дуже часто відбувається вихід з ладу саме певної частини труб (наприклад, труб периферійної області трубної решітки при осьовій подачі теплоносія), що призводить до більш частого ремонту апаратів.

Регулювання рівномірного розподілу потоку по трубах здійснюється за допомогою конструктивних елементів, наприклад, розподільних пристроїв (вставок), що розміщуються перед трубною решіткою. Найпростіші з них являють собою диски з різною кількістю і розташуванням отворів по площині.

Вставка розміщується за допомогою стійок, які служать також для регулювання відстані вставки до трубної решітки. Пропонується два види стійок – з фіксованим положенням вставки (нерухома) і з “плаваючою” вставкою (рухома). “Плаваюча” вставка має пружини, що дозволяє змінювати відстань від вставки до трубної решітки у разі коливання витрати теплоносія в трубах.

За допомогою вставки здійснюється перерозподіл тиску рідини перед трубною решіткою, внаслідок чого більша частина рідини спрямовується у периферійні труби, що сприяє рівномірній витраті рідини через усі труби апарату.