МАШИНОСТРОЕНИЕ

РЕКУПЕРАТИВНЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Рекуперативные теплообменники - одна из разновидностей теплового оборудования, характерной чертой которого является непре­рывность процесса теплообмена через твердую стенку. К таким теплообменникам относятся: кожухотрубчатые. змеевиковые, типа труба в трубе, воздушного охлаждения, пластинчатые и из неметаллических материалов.

4.1.1. КОЖУХОТРУБЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ

Широкое использование кожухотрубча - тых теплообменников в химической промыш­ленности определяется необходимостью теп­ловой подготовки сырья к реакционным про­цессам и использования теплообмена при вы­делении товарного продукта из реакционной массы.

Теплообменники используются на произ­водствах в двух качествах:

Для проведения основного процесса, свя­занного с производством;

Для утилизации избыточного количества теплоты основного производства.

При использовании теплообменников - утилизаторов должно выполняться условие, чтобы затраты на его установку и эксплуата­цию покрывались достигаемой экономией теп­ловой энергии или теплоносителя.

На химических предприятиях доля тепло - обменного оборудования по массе и стоимости достигает 15... 18 % всего оборудования, а в нефтепереработке и нефтехимии достигает 50 %, что объясняется широким использовани­ем тепло-, массообменных процессов (ректифи­кации, выпаривания, сушки и др.), связанных с необходимостью подвода и отвода теплоты. Поэтому правильный выбор типа и размера теплообменников, правильная их установка и эксплуатация существенно сказываются на капитальных и эксплуатационных затратах, а следовательно, на эффективности производства.

Выбор теплообменника зависит от назна­чения аппарата, области применения, количе­ства передаваемой теплоты, производительно­сти, физических и термодинамических пара­метров и свойств теплоносителей (плотности, вязкости, теплоемкости, агрегатного состоя­ния; химических свойств сред, агрессивности), степени загрязнения теплоносителя и характе­ра отложений на теплообменной поверхности, температурных деформаций и др.

Классификация кожухотрубчатых теп­лообменников. В связи с разнообразием тре­бований, предъявляемых к теплообменным аппаратам, условий проведения теплообмена в промышленных установках разработаны и применяются кожухотрубчатые теплообменни­ки различных типов, причем для каждого типа имеется широкий размерный ряд аналогов поверхности теплообмена площадью от не­скольких единиц до нескольких тысяч квадрат­ных метров. Размерные ряды теплообменников подразделяются не только по габаритным раз­мерам, давлению и температуре, но и по мате­риалу исполнения (из стали, пластика, керами­ки и др.).

Благодаря широкой номенклатуре тепло­обменников по типам, размерам, параметрам и
материалам можно выбрать для каждого кон­кретного случая оптимальную конструкцию теплообменника.

Кожухотрубчатые теплообменники клас­сифицируются по следующим признакам:

По направлению движения теплоносите­лей - прямоточные, в которых теплоносители движутся параллельно в одном направлении; противоточные, в которых оба теплоносителя движутся в противоположных направлениях; перекрестного типа, когда теплоносители дви­жутся во взаимно перпендикулярном направ­лении; смешанного типа, в которых сочетаются ранее перечисленные комбинации;

По способу компенсации температурных деформаций - жесткой конструкции, без ком­пенсаторов; с компенсацией при помощи гиб­ких (упругих) элементов (линзовые, дисковые, изогнутые трубы); с компенсацией за счет сво­бодных перемещений: (U-образные, с «пла­вающей головкой», с сальниковыми уплотне­ниями, с двойными трубами);

По технологическому признаку - рекупе­раторы теплоты, холодильники, испарители, дефлегматоры, конденсаторы.

Кожухотрубчатые теплообменники же­сткого типа. В аппаратах этого типа осущест­вляют теплообмен между жидкостями, газами и парами в любом их сочетании. Составными элементами таких теплообменников являются (рис. 4.1.1): кожух У, трубы 2, трубные решетки (плиты) 3, распределительные камеры 4, 5 (крышки), перегородки 6.

Один из теплоносителей А движется по пространству, образованному распределитель­ными камерами и внутренней полостью труб (в трубном пространстве), другой Б - в межтруб­ном пространстве, ограниченном внешней по­верхностью труб, трубными решетками и кожухом. Таким образом, поверхностью теп­лообмена является поверхность труб.

Для такой конструкции характерно не­разъемное жесткое крепление труб, трубных решеток и корпуса, что является одним из ос­новных ее недостатков, так как неразъемное крепление корпуса с трубными решетками препятствует компенсации температурных де­формаций, возникающих вследствие разности температур корпуса и трубок.

Такие аппараты называют теплообменни­ками с неподвижными трубными решетками типа ТН (ГОСТ 9929).

Другим конструктивным недостатком теп­лообменников жесткого типа является неразъ­емное соединение деталей разной толщины в радиальном направлении (корпус - фланец или трубная решетка), что приводит к возникнове­нию краевых сил и моментов в материале кор­пуса. Решение этой проблемы - вывод из опас­ного сечения сварного шва, что уменьшает опасность разрушения соединения, или мест­ное увеличение толщины слабого элемента.

На рис. 4.1.2 приведены варианты креп­ления кожуха и трубных решеток. Вариант

Ныи, так как позволяет вынести сварной шов из зоны максимальных напряжений. В зоне свар­ки в этом случае толщины соединяемых дета­лей соизмеримы.

Еще одним недостатком теплообменни­ков типа ТН является невозможность механи­ческой чистки межтрубного пространства.

Однако теплообменники типа ТН отли­чаются простотой конструкции, что делает допустимым их изготовление силами ремонт - но-механических цехов (РМЦ) предприятий, доступностью чистки трубного пространства, возможностью использования в широком диа­пазоне давлений (свыше 10 МПа). Ограниче­ния в их применении связаны с небольшим различием температур корпуса и трубок (не более 40...50 °С). Для снижения температур­ных напряжений при пуске аппаратов типа ТН сначала направляют теплоноситель в межтруб­ное пространство для выравнивания темпера­тур кожуха и трубок, а затем вводят среду в трубы.

Теплообменники с гибкими компенса­торами температурных напряжений. Если расчетная разность температур кожуха и труб превышает рекомендованную для теплообмен­ников типа ТН, то используют теплообменники с частичной или полной компенсацией темпе­ратурных напряжений. К теплообменникам с частичной компенсацией относятся: теплооб­менники с компенсаторами в корпусе; тепло­обменники с компенсаторами в трубной решет­ке; теплообменники с компенсацией в трубах.

Теплообменники с компенсатором в кор­пусе типа ТК. В промышленности нашли при­менение в основном эти аппараты. В них для частичной компенсации температурных деформаций используют специальные гибкие элементы (компенсаторы), расположенные на корпусе (рис. 4.1.3).

Кожухотрубчатый теплообменник типа ТК отличается от теплообменника типа ТН наличием вваренного между двумя частями кожуха / гибкого элемента 2 в виде кольцевой линзы и обтекателя * Обіекатель уменьшает гидравлическое сопроіивление межтрубного пространства. Он приваривается к корпусу со стороны входа теплоносителя в межтрубное пространство.

Наиболее часто используются одно - и многоэлементные линзовые компенсаторы, изготовляемые обкаткой из коротких цилинд­рических обечаек (рис. 4.1.4, а, в) или сваркой из двух полулинз (рис. 4.1.4, б), полученных штамповкой из листового металла. Компенси­рующая способность линзового компенсатора увеличивается пропорционально числу линз, однако применять более четырех линз не реко­мендуется, так как теплообменник теряет осе­вую жесткость. При установке компенсаторов на горизонтальных аппаратах в нижней части каждой линзы сверлят дренажные отверстия с заглушками для слива воды или теплоносителя при гидроиспытаниях и ремонте. Кроме линзо­вых предложен еще ряд компенсаторов в кор­пусе других типов: из плоских элементов (рис. 4.1.4, г), из элементов сферы (рис. 4.1.4, д), тороидальных (рис. 4.1.4, е) и др. Наиболее эффективны тороидальные компенсаторы, из­готовляемые из труб с последующей резкой их по внутренней поверхности тора. Распределе­ние напряжений по самому компенсатору дос­таточно плавное, однако наружные сварные

Швы работают в условиях повышенных напря­жений.

Разновидностью компенсатора в корпусе является расширитель на корпусе. Помимо обеспечения компенсации температурных де­формаций при такой конструкции повышается эффективность теплообмена вследствие ис­ключения застойной зоны и создается равно­мерная подача теплоносителя.

Установка компенсаторов расширяет диапазон работы теплообменников по темпера­туре, но ограничивает по давлению до 2,5 МПа.

Теплообменники с компенсацией тем­пературных напряжений за счет свободных перемещений. В теплообменниках с U-образ - ными трубами обеспечивается свободное уд­линение труб независимо от корпуса, что ис­ключает возникновение температурных напря­жений. Организация движения потоков в меж­трубном пространстве может осуществляться с помощью поперечных или продольных перего­родок.

Такие аппараты состоят из кожуха /. труб­ного пучка с U-образными трубами 2. трубной решетки 3, распределительной камеры 4 (рис. 4.1.5). Распределительная камера, корпус и трубная решетка крепятся с помощью флан­цев 5. Для обеспечения раздельного входа и выхода теплоносителя трубного пространства в распределительной камере предусмотрена про­дольная перегородка 6.

В U-образных теплообменниках каждая труба имеет свободную деформацию. Допус­каемая разность температур корпуса и трубок до 100 °С. Ограничение связано с опасными температурными напряжениями во фланцевом соединении.

Преимущества такого аппарата - воз­можность извлечения трубного пучка и очист­ки внутренней поверхности корпуса и его ре­монта. Однако механическая очистка внутрен­ней поверхности труб невозможна, поэтому ее осуществляют химическими реагентами или потоками абразивной суспензии.

Крепление фланца 1 корпуса с трубной решеткой 2 и с фланцем 4 распределительной камеры осуществляется специальной шпилькой 3, которая позволяет снимать распределительную камеру без нарушения соединения трубной решетки с корпусом (рис. 4.1.6).

Для исключения нарушения герметично­сти соединения труб с трубной решеткой под действием изгибающих напряжений, возни­кающих от массы труб, в теплообменниках диаметром более 800 мм конец трубного пучка снабжен роликовой опорой.

В теплообменниках с плавающей голов­кой трубы закреплены в двух трубных решет­ках, одна из которых неподвижно связана с корпусом, а другая может свободно переме­щаться в осевом направлении, что исключает возникновение напряжений из-за разности температурных деформаций. Проблема разде­ления теплоносителей решается путем исполь­зования внутренней крышки.

Правая трубная решетка вместе с внут­ренней крышкой представляют собой плаваю­щую головку. При нагревании плавающая го­ловка свободно перемещается по межтрубному пространству, ограниченному крышкой.

Для улучшения теплообмена в межтруб­ном пространстве иногда используют продоль­ные перегородки. Поперечные перегородки также выполняют роль опор для трубного пуч­ка. При диаметре аппарата более 1000 мм для компенсации разности деформаций труб при градиенте температур более 100 °С плаваю­щую трубную плиту иногда делают разрезной с соединением частей трубой типа «калача» (рис. 4.1.7).

Наиболее важным узлом теплообменни­ков такого типа является плавающая головка.

Это соединение должно обеспечивать легкость извлечения трубного пучка и минимальный зазор А между крайними трубами и корпусом.

Возможны два варианта конструктивного оформления плавающей трубной решетки: первый позволяет свободно извлекать трубный пучок, но дает большой зазор Л (рис. 4.1.8, а), второй обеспечивает малый іазор, но конст­рукция становится неразборной (рис. 4.1.8, б). Для удовлетворения обоих требований разра­ботаны малогабаритные соединения трубной решетки и крышки плавающей головки. В кон­струкции, представленной на рис. 4.1.9, а, ма­логабаритное соединение состоит из двух на­кидных разрезных фланцев У, стягивающей шпильки 2 с гайкой 4, нажимного фланца 3 внутренней крышки и укороченной трубной решетки 5. Разрезные фланцы накладываются так, чтобы их разрезы находились во взаимно перпендикулярных плоскостях. Зазор между трубной решеткой и корпусом при снятых раз­резных фланцах составляет 2...3 мм, следова­тельно, зазор А будет минимальным.

В соединении, показанном на рис. 4.1.9, б, вместо фланцев используется разрезная накид­ная скоба 2, которая с помощью нажимного винта 4 стягивает трубную плиту У и укоро­ченный фланец внутренней крышки 3. Скос соприкасающихся поверхностей скобы и ре­шетки препятствует выворачиванию скобы при затяжке.

В констр>кции, представленной на рис. 4.1.9, е, трубная решетка У имеет внутрен­ний паз для закладного разрезного кольца 5. Фланец внутренней крышки 3 прижат к трубной решетке с помощью стягивающей шпильки 4 и закладного кольца 5. Это соединение значи­тельно проще в изготовлении, однако заклад­ное кольцо делает его менее надежным.

Сальниковое уплотнение для плавающей головки осуществляется как внутреннее, так и наружное. Внутреннее уплотнение состоит из двух кольцевых уплотнений 2 и дренажного

Кольца 5, уложенных в пазы фланцев 3 и 4 (рис. 4.1.10, а). Уплотнения обеспечивают гер­метичность по полированной поверхности подвижной трубной решетки с цилиндриче­ским удлинителем 1. В наружном уплотнении герметизация межтрубного пространства осу­ществляется обычным сальниковым уплотне­нием с использованием герметизирующей на­бивки 2, уложенной в паз, образованный кор­пусом 5, фланцем 3 и полированной поверхно­стью трубной решетки /, прижатой нажимной втулкой к фланцу 4 (рис. 4.1.10, б). Герметиза­ция трубного пространства осуществляется с помощью малогабаритных соединений труб­ной решетки и крышки.

Теплообменники с двойными трубками (трубками Фильда) отличаются от рассмотрен­ных тем, что трубные решетки у них сдвинуты в одну сторону, а трубное пространство как бы разделено на две части: на внутренний объем малых труб и пространство между внутренни­ми 5 и наружными трубами бив промежуточ­ном корпусе 3 (рис. 4.1.11). Такая конструкция обеспечивает полную компенсацию темпера­турных напряжений. Однако отличается повы­шенной металлоемкостью, меньшей средней движущей силой за счет теплообмена через поверхность внутренней трубы при обратном ходе теплоносителя в трубном пространстве.

Элементы кожухотрубчатых теплооб - менных аппаратов. Кожух (корпус) представ­ляет собой цилиндрическую обечайку. Кожух теплообменников малого диаметра (до 600 мм)
чаще всего изготовляют из труб соответст­вующего диаметра, кожух большего диаметра вальцуют из листовой стали и сваривают, а при большой длине может быть сварен из трех обе­чаек: центральной и двух концевых. Длина концевых обечаек

Где DH и SK - соответственно диаметр и толщина стенки кожуха, но не менее 100 мм.

Толщина концевых обечаек в 1,2 - 1,4 раза должна быть больше толщины центральной обечайки.

Фланцы теплообменников выполняют с привалочной поверхностью выступ - впадина или под прокладку восьмиугольного сечения, полученную из мягкого металла, или асбоме - таллическую, но обязательно цельную, без сварки, пайки или склеивания.

Теплообменные трубы кожухотрубчатых стальных теплообменников - это серийно вы­пускаемые промышленностью трубы из угле­родистой, коррозионно-стойкой стали и лату­ни. Диаметр труб определяет эффективность теплообмена и габаритные размеры аппарата. Чем меньше диаметр труб, тем большее их число можно разместить в кожухе заданного диаметра. Однако трубы малого диаметра бы­стро засоряются при работе с загрязненными теплоносителями, они сложнее при монтаже, неудобны при механической очистке. Поэтому предпочтение отдают трубам с наружным диа­метром 20, 25, 38, 57 мм. Трубы диаметром 38 и 57 мм применяют для загрязненных и вязких сред.

С увеличением длины труб и уменьшени­ем диаметра теплообменника стоимость его снижается. Оптимальным считается теплооб­менник длиной 5...7 м. При большей длине возникают проблемы, связанные с прогибом аппарата вдоль оси.

Трубные решетки теплообменников вы­полняются из цельных стальных листов или поковок. Для аппаратов большого диаметра допускаются сварные трубные решетки.

Схема расположения труб в трубных решетках и шаг отверстий регламентирован ГОСТ 9929 Располагать трубы можно по вер­шинам равностороннего треугольника, по вер­шинам квадрата, по концентрическим окруж­ностям (рис. 4.1.12). Применение того или ино­го способа размещения зависит от конструкции теплообменника и условий его работы. Разме­щение по вершинам треугольника обеспечива­ет компактное расположение труб при сохра­нении простоты разметки и автоматизации сверления отверстий в трубной решетке (рис. 4.1.12, а), по вершинам квадрата облегча­ет очистку межтрубного пространства, изго­товление, но менее компактное (рис. 4.1.12, б), по концентрическим окружностям наиболее компактно, однако изготовление более трудо­емко и применяется в основном в кислородной технологии.

Для теплообменников жесткого типа и с компенсатором в корпусе (неразъемных) трубы размещают по вершинам треугольника, так как внешняя их поверхность не подвергается меха­нической очистке. Для других типов кожухо­трубчатых теплообменников трубы размещают по вершинам квадрата. Шаг труб в трубной решетке выбирают с учетом прочности участка

Между отверстиями (мостика), w«0,25^T, где dT - наружный диаметр труб.

Способы крепления труб в трубной ре­шетке. Соединение труб в трубной решетке должно быть герметичным, т. е. надежно пре­дотвращать смешение потоков трубного и межтрубного пространства, и прочным, т. е. выдерживать осевые силы, возникающие в теплообменнике под действием разности дав­лений в трубном и межтрубном пространствах.

На рис. 4.1.13 представлены основные способы крепления труб в трубной решетке. Наиболее распространенный способ крепления - развальцовка (рис. 4.1.13, а). Трубы вставляют в отверстие решетки с некоторым зазором, а затем обкатывают изнутри специальным инст­рументом, снабженным роликами. При этом в стенках трубы создаются напряжения выше предела текучести, а в трубной решетке - толь­ко до предела упругости, благодаря чему после снятия вальцовки в материале трубы остаются пластические деформации, и материал трубной решетки, возвращаясь в исходное положение, плотно обжимает концы труб. Для того чтобы соединение было качественным, т. е. обеспечи­вало не только герметичность, но и прочность крепления труб на вырывание, необходимо соблюдать следующие условия: материал трубной решетки должен быть более твердым, чем материал труб, зазор не должен превышать 1,5% диаметра отверстия, сопрягаемые по­верхности должны быть хорошо обработаны, с шероховатостью Ra = 1,60...0,80.

При развальцовке конец трубы должен выступать над трубной решеткой на расстоя­ние, равное толщине трубы. Для повышения прочности соединения иногда выполняют от- бортовку выступающего конца трубы по пред­варительно выполненной фаске (рис. 4.1.13, б).

Развальцовка по гладкой поверхности применяется при давлении в аппарате до 0,6 МПа. Увеличение прочности соединения при больших давлениях достигается при раз­вальцовке в отверстиях с одной или двумя ка­навками (рис. 4.1.13, в). Развальцовку выпол­няют на глубине 1,5dT, при этом со стороны межтрубного пространства должен оставаться не раскатанный поясок шириной 3...5 мм, что­бы не подрезать трубу о край решетки.

Крепление труб сваркой с развальцовкой применяют для снятия ограничений по допус­каемому давлению при работе теплообменника (рис. 4.1.13, г, д). Однако замена труб при этом сильно затруднена.

Пайка и заливка концов труб мягким припоем (ПОС-40) является типовым способом крепления труб в медной аппаратуре. Склеива­ние применяют для неметаллических труб.

Перегородки. Для интенсификации теп­лообмена в кожухотрубчатых теплообменни­ках устанавливают поперечные 2 и продольные /, 3 перегородки (рис. 4.1.14). Перегородки 1 в трубном пространстве устанавливают вдоль оси теплообменника, что обеспечивает много - ходовость теплообменника по трубному про­
странству. Промышленностью выпускаются двух-, четырех - и шестиходовые теплообмен­ники жесткой конструкции. Перегородки в межтрубном пространстве бывают как попе­речные, так и продольные.

В промышленности используются четыре основных вида перегородок: сегментные, сек­торные, типа диск-кольцо, ситчатые. Сегмент­ные перегородки наиболее широко применя­ются в мировой практике (рис. 4.1.15, а). Вы­сота выреза составляет (0,25...0,33)Dan (диа­метра аппарата). Расстояние между перегород­ками около 0,5Dan. Разновидностью сегмент­ных перегородок является дисковая перегород­ка с сегментным вырезом (рис. 4.1.15, б). Кольцевое уплотнение с корпусом позволяет надежно герметизировать зазор от утечек.

Секторная перегородка представляет собой диск с вырезанной четвертью (рис. 4.1.15, в). Вдоль краев вырезов поставле­на продольная перегородка 1. Теплоноситель при обтекании такой перегородки совершает поворот на 270° то в одну, то в другую сторону.

Перегородки типа диск-кольцо состоят из последовательно установленных дисков и ко­лец (рис. 4.1.15, г). Необходимым условием для этого случая является равенство площадей отверстия в кольце и в зазоре у диска.

Ситчатые перегородки обычно исполь­зуются для чистых жидкостей. Они представ­ляют собой дисковые перегородки с отвер­стиями увеличенного размера для труб. Про­цесс интенсифицируется благодаря местной турбулизации при проходе жидкости в зазоре между трубами и перегородкой.

Для интенсификации теплообмена со стороны межтрубного пространства применя­ют секционирующие перегородки, а также осуществляют оребрение наружной поверхно­сти теплообменных труб (рис. 4.1.16).

Для интенсификации теплообмена со стороны трубного пространства в греющие трубки вставляют турбулизирующие вставки в виде дисков, колец и винтовых лент, изготов­ленных из латуни или алюминия, как показано на рис. 4.1.17.

Отечественной промышленностью выпус­каются кожухотрубные теплообменники с пло­щадью поверхности теплопередачи 1... 1500 м2.

Расчет площади поверхности теплооб­мена. Площадь поверхности теплообмена, не­обходимая для обеспечения заданного тепло - обменного процесса, м2,

F = Q/(KAtcp), (4.1.1)

Где Q - тепловой поток (расход передаваемой теплоты), Вт; К - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); АґСр - средняя разность температур

Горячего и холодного теплоносителя, К.

Для плоской поверхности коэффициент теплопередачи

1

(4 Л.2)

— + 2>ст+ —

Где аг и ах - коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителей, Вт/(м2 К); Хгст - суммарное термическое со­противление теплопередающей стенки, (м2К)/Вт.

Уравнение (4.1.2) с достаточной точно­стью можно применять и для расчета теплопе­редачи через цилиндрическую стенку, если

Внутренний диаметр труб dBH > 0,5dH.

Средняя разность температур Д/ср опре­деляется следующим образом.

Для противотока и прямотока

Д/б+Д/м

(4.1.3)

At м

Соответственно большая и

Меньшая разности температур на концах теп­лообменника.

Если отношение Д/5/Д/м < 2, то с достаточной точностью вместо уравнения

(4.1.3) можно применять уравнение

Atcp=(At6+AtM)/2. (4.1.4)

Формулы (4.1.2) - (4.1.4) применимы при условии, что в теплообменнике значения ко­эффициента теплопередачи К и удельной теп­лоемкости с для каждого из теплоносителей можно считать постоянными вдоль всей по­верхности теплообмена.

Если коэффициент теплопередачи К зна­чительно меняется вдоль поверхности тепло­обмена, то применение уравнений (4.1.3) и

(4.1.4) становится недопустимым. В этих слу­чаях для определения площади поверхности теплопередачи используют дифференциальное уравнение теплопередачи методом графиче­ского интегрирования.

Для смешанного тока в многоходовых теплообменниках и для перекрестного тока

Д'ср =

Где 8Д/ - поправочный коэффициент к сред­ней разности температур Д/ср, вычисленной для противотока.

Значение коэффициента 8д, берется из специальных графиков [31].

В табл. 4.1.1 приведены приближенные значения коэффициентов теплоотдачи для во­ды и воздуха, основных случаев конвективной теплоотдачи, а в табл. 4.1.2 - значения коэф­фициентов теплопередачи, полученные для различных случаев теплообмена.

Прочностной расчет. Напряжения в корпусе и греющих трубах возникают от раз­ности давлений в трубном и межтрубном про­странствах теплообменников жесткого типа.

Напряжения, возникающие в корпусе, ,

^К F к + FT ЕТ

А в трубах

---------------- ,

^к + № где FT, FK - площадь поперечного сечения соответственно труб и корпуса; ЕТ, Ек - мо­дули упругости первого рода для материала соответственно труб и корпуса; Q - сила, дей­ствующая на корпус (трубный пучек) от разно­сти давлений в трубном и межтрубном про­странствах.

Напряжения, возникающие в теплооб­меннике от разности температур теплоноси­телей. В кожухотрубчатых теплообменниках из-за разности температур корпуса и труб воз­никают разные термические деформации, ко­торые приводят к возникновению термических напряжений.

Напряжения в корпусе

[<ХТ - ) - <*к ('к - 'о )] ЕК FtEj

GK =------------------------------------------------ ,

EKFK+ETFT трубы сожмутся и получат напряжение сжатия [aT(/T-/0)-aK(/K-/0)]ЈKf:rЈr

GT =------------------------------------------------ ,

F к FK + ЕТ FT

Где ак, ат - коэффициент термического расширения материала соответственно корпуса и труб; tT, - температура греющих труб соответственно в рабочих условиях и в услови­ях монтажа; tK - температура корпуса в рабо­чих условиях.

Из приведенных уравнений видно, что напряжения не зависят от длины теплообмен­ника, а зависят от соотношения площадей се-, чений корпуса и труб, от свойств материала и разности температур.

Если корпус и трубы сделаны из одного

Материала (ат = ак = а и Ет = Ек = Е ), то соотношения для расчета напряжений значи­тельно упрощаются:

= a(tT-tK)EFT FK+FT

_A(TT-TK)EFK

^к+^т

При совместном действии разности дав­лений и термических напряжений полученные значения осевых напряжений будут алгебраи­чески складываться.

Расчет напряжений в месте крепления труб в трубной решетке. Выбор формулы для определения прочности крепления труб зави­сит от способа их соединения с трубной ре­шеткой. Так, если трубы крепятся развальцов­кой. то за расчетное напряжение принимается напряжение от силы, приходящейся на едини­цу длины периметра развальцовки всех труб, и условие прочности записывается в виде:

ПаИп

Где QT ~ суммарная осевая сила от действия давления и разности температур теплоносите­лей; [а] - допускаемая удельная нагрузка сдвига; при развальцовке труб по гладкой по­верхности [а] = 400 Н/см; при развальцовке с отбортовкой с одного конца [а]= 500 Н/см; при развальцовке с двусторонней отбортовкой концов [а] = 700 Н/см; при развальцовке ка­навками [а] = 700 Н/см; dH - наружный диа­метр труб, см; п - число греющих труб в теп­лообменнике.

При креплении груб в трубных решетках сваркой или пайкой напряжения рассчитыва­ются из расчета на единицу площади среза сварного шва, тогда условие прочности запи­сывается как

От

О =

NdHnb

Где b - катет сварного или паяного шва, м; [а] - допускаемое напряжение среза материала сварного или паяного шва, МПа, dH - в м.

Интенсификации теплообмена в кожу­хотрубчатых теплообменниках связана с вы­равниванием коэффициентов теплоотдачи на противоположных сторонах теплообменной поверхности.