ОБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Кожухотрубчатые теплообменники

Это самая распространенная конструкция теплообменной аппаратуры в хими­ческой промышленности (около 80% всех теплообменников - кожухотрубчатые). Они достаточно просты в изготовлении, надежны в эксплуатации и универсальны,

т. е. могут быть использованы для осуществления теплообмена между жидкостями, парами, газами в любом сочетании в широком диапазоне давлений и температур.

Поверхность теплообмена кожухотрубчатых теплообменников

F = p-dcp-l-n,

где l, n - длина труб и их число,

do^ (dK + d)/2 - средний диаметр трубы.

Наиболее популярны трубы с наружным диаметром 20 и 25 мм, толщиной стенки 2 мм. Длина труб стандартных теплообменников - от 1 до 9 метров, диаметр кожуха - от 16 см до 3 м. С увеличением длины труб и уменьшением диаметра кожуха стои­мость теплообменника снижается (наиболее дешевы аппараты с длиной труб 5^7 м).

Приемлемые значения коэффициентов теплоотдачи в этих аппаратах обеспечи­ваются при движении жидких теплоносителей со скоростями w > 0.5 м/с, а газооб­разных - с w = 8^30 м/с. Для увеличения скорости движения теплоносителей в тру­бах кожухотрубчатые теплообменники комплектуются распределительной камерой с продольными перегородками, обеспечивающими несколько (2, 4, 6) ходов по трубному пространству. Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве устанавли­ваются поперечные перегородки, обеспечивающие зигзагообразное движение теп­лоносителя.

Типы кожухотрубчатых теплообменников: Н, ТН - с неподвижными трубными решетками; К, ТК - с температурным компенсатором на кожухе; П, ТП - с плаваю­щей головкой; ПК - с компенсатором на плавающей головке; У, ТУ - с U - образны­ми трубами. В аппаратах типа Н и К трубы в трубных решетках размещают только

по вершинам равносторонних тре­угольников ("шахматное"), а в осталь­ных возможно размещение и по вер­шинам квадратов ("коридорное"), см. рисунок 3.1. Шахматное расположение труб более компактно, а при коридор­ном возможна механическая очистка их внешней поверхности. Величина шага t между трубами зависит от их диаметра: при dK = 20 мм t = 26 мм, при dK = 25 мм t = 32 мм.

Особенностью аппаратов типа Н (рисунок 3.2) является жесткое соединение труб с трубными решетками и решеток с кожухом (сваркой). В них исключается возможность взаимного перемещения труб и кожуха, поэтому их еще называют те­плообменниками жесткой конструкции. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом (минующего основную поверх­ность теплообмена), в этом пространстве размещают специальные заполнители: продольные полосы, приваренные к стенке кожуха, или глухие трубы (рисунок 3.3). Отбойник (круглая или прямоугольная пластина на входе в межтрубное пространст­во), защищает трубы от местного эрозионного изнашивания.

Чаще всего тру­бы крепят в трубной решетке развальцов­кой - обкаткой изнут­ри специальным ро­ликовым инструмен­том. Начальный зазор между трубой и от­верстием обычно ра­вен 0.25 мм (потеря пластичности металла после развальцовки и опасность растрескивания тем меньше, чем меньше зазор). Для обеспечения качест­венной развальцовки и возможности замены труб материал решетки должен быть тверже материала труб. Высота выступа трубы над решеткой обычно равна толщине трубы. При давлениях до 0.6 МПа применяют развальцовку в гладких отверстиях (иногда с отбортовкой выступа) , см. рисунок 3.4а. Прочность и герметичность со­единения значительно возрастают при развальцовке в отверстиях с канавками глу­биной 0.5 мм (рисунок 3.4б). Трубы развальцовывают на глубину 1.5- йн или на всю толщину решетки, если она меньше 1.5- dH. Со стороны межтрубного пространства оставляют поясок шириной 3 мм, чтобы не подрезать трубу. Для исключения корро­зии по причине проникновения среды между трубой и трубной решеткой разваль­цовку выполняют двумя поясками: шириной 1.5- dK со стороны распределительной камеры и 0.75- dK со стороны межтрубного пространства.

При креплении труб в решетке сваркой с развальцовкой (рисунок 3.4в) вначале выполняют развальцовку. Пайку концов труб в решетках (рисунок 3.4 д) применяют при изготовлении теплообменников из меди и ее сплавов, склеивание (рисунок

3.4 е) - из стекла и пластмасс.

Поперечные перегородки в межтрубном пространстве (рисунок 3.5) не только обеспечивают движение теплоносителя в направлении, перпендикулярном оси труб,
и увеличение его скорости, но и выполняют роль опор трубного пучка, обеспечивая неизменность расстояния между трубами. Они также уменьшают вибрацию труб, которая представляет серьезную опасность в случаях, когда по межтрубному про­странству с большой скоростью движется газ.

Наиболее широко на практике применяют сегментные перегородки, см. рисунок 3.5а. Высота удаляемого сегмента - примерно 1/3 диаметра кожуха D, расстояние ме­жду перегородками - около 0.5 D. Утечки теплоносителя в зазорах между перегород­ками и кожухом ухудшают условия теплообмена, поэтому величина зазора ограничи­вается (при D < 600 мм он не должен превышать 1.5 мм). Толщина перегородок в межтрубном пространстве, а также продольных перегородок распределительных ка­мер не должна быть меньше 6 мм.

Теплообменники типа Н просты по устройству и сравнительно дешевы, но имеют два крупных недостатка: 1) наружная поверхность труб недоступна для ме­ханической очистки; 2) область их применения ограничена разностью средних тем­ператур теплоносителей 50 оС по причине возникновения в кожухе и трубах так на­зываемых температурных напряжений (при разных температурах стенок труб и ко­жуха их температурные деформации неодинаковы). Для уменьшения температур­ных напряжений при пуске аппаратов типа Н рекомендуют сначала заполнять меж­трубное пространство (для выравнивания температур кожуха и труб). Если расчет­ная разность температур кожуха и труб превышает 30о С, рекомендуется использо­вать теплообменники с частичной (тип К, ПК) или полной компенсацией темпера­турных напряжений (тип П, У).