Типы кожухотрубчатых теплообменников

 

Рис. 1.7. Компенсаторы 

К аппаратам, обеспечивающим частичную компенсацию температурного расширения за счет гибких элементов  в кожухе, относится аппарат с  расширителем 1 на кожухе 3 (рис. 1.8). 

 

Рис. 1.8. Теплообменник с расширителем на кожухе 

Преимущество  этой конструкции – эффективность  теплообмена вследствие исключения застойных зон в межтрубном пространстве. Для кожухотрубчатых теплообменников  особенно характерно образование таких  зон вблизи трубных решеток, поскольку штуцера ввода и вывода теплоносителя расположены на некотором расстоянии от решеток. Для ликвидации застойных зон в аппарате с частичной компенсацией температурных расширений предусмотрен распределитель 2, который обеспечивает равномерное распределение теплоносителя по межтрубному пространству. 

Введение линзового  компенсатора или расширителя допускает  гораздо больший температурный  перепад, чем в теплообменниках  типа Н, однако при этом возрастает стоимость аппарата. 
 

Область использования стальных аппаратов типа К ограничена избыточным давлением 2,5 МПа. 

Теплообменники  с U-образными трубами (тип  У). 

В кожухотрубчатых  аппаратах этой конструкции обеспечивается свободное удлинение труб, что  исключает возможность возникновения  температурных напряжений. 

Такие аппараты (рис. 1.9) 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. 

 

Рис. 1.9. Теплообменник  с U-образными трубами 

Для обеспечения  раздельного ввода и вывода циркулирующего по трубам теплоносителя в распределительной  камере предусмотрена перегородка 5. 

Теплообменники  типа У являются двухходовыми по трубному пространству и одно- или двухходовыми по межтрубному пространству. В последнем случае (рис. 1.10) в аппарате установлена продольная перегородка 2, извлекаемая из кожуха 1 вместе с трубным пучком. Для исключения перетекания теплоносителя в зазорах между кожухом аппарата (рис. 1.11) и перегородкой 2 у стенки кожуха устанавливают гибкие металлические пластины 3 (рис. 1.11, а) или прокладку 3 (рис. 1.11,6) из прорезиненного асбестового шнура, уложенную в паз перегородки 2. 

 

Рис. 1.10. Двухходовой  теплообменник с U-образными трубами 

 

Рис. 1.11. Варианты уплотнения пространства между перегородкой и кожухом: 

а – гибкой металлической  пластиной; б – шнуром 

В аппаратах  типа У 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. 

Преимущество  конструкции аппарата типа У – 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 У 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 рис. 1.12. Специальная шпилька 3 с коническим стопорным выступом позволяет снимать распределительную камеру без нарушения соединения трубной, решетки 2 с кожухом. 

 

Рис 1.12. Способ крепления распределительной камеры к кожуху теплообменника 

Один из наиболее распространенных дефектов кожухотрубчатого теплообменника типа У – 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 У диаметром от 800 мм и более для удобства монтажа и уменьшения изгибающих напряжений в трубном пучке снабжают роликовыми опорами. 
 

К недостаткам  теплообменных аппаратов типа У  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. Для  исключения сплющивания и значительного утонения стенки на растянутой стороне стальной трубы радиус изгиба принимают R ≥ 4dт , где dт – наружный диаметр трубы. 

К существенным недостаткам аппаратов типа У  следует отнести невозможность  замены труб (за исключением крайних  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 (тип П). 

В теплообменниках с плавающей головкой теплообменные трубы закреплены в двух трубных решетках, одна из которых неподвижно связана с корпусом, а другая имеет возможность свободного осевого перемещения; последнее исключает возможность температурных деформаций кожуха и труб. 

Горизонтальный  двухходовой конденсатор типа П (рис. 1.13) 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. 

 

Рис. 1.13. Горизонтальный двухходовой конденсатор с плавающей  головкой 

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 в межтрубном пространстве этого аппарата служат лишь для поддержания труб и придания трубному пучку жесткости. 

Аппараты е  плавающей головкой обычно выполняют  одноходовыми по межтрубному пространству, однако установкой продольных перегородок в межтрубном пространстве можно получить многоходовые конструкции. На рис. 1.14 показаны двухходовые по межтрубному пространству теплообменники. 

 

Рис. 1.14. Двухходовой  теплообменник типа П с плавающей  головкой: 

а – цельной; б – разрезной 16 

Хотя в аппаратах  типа П 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 П 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. 

Наиболее важный узел теплообменников с плавающей  головкой – соединение плавающей трубной решетки с крышкой. Это соединение должно обеспечивать возможность легкого извлечения пучка из кожуха, аппарата, а также минимальный зазор А между кожухом и пучком труб. Вариант, показанный на рис. 1.15, позволяет извлекать трубный пучок, но зазор А получается больше (по крайней мере чем в теплообменниках типа Н) на ширину фланца плавающей головки. Крепление по этой схеме наиболее простое; его часто применяют в испарителях с паровым пространством. 

 

Рис. 1.15. Вариант  размещения плавающей головки в кожухе большего диаметра 

Размещение плавающей  головки внутри крышки, диаметр которой  больше диаметра кожуха, позволяет  уменьшить зазор; но при этом усложняется  демонтаж аппарата, так как плавающую  головку нельзя извлечь из кожуха теплообменника (рис. 1.16). 

 

Рис. 1.16. Вариант  размещения крышки плавающей головки  в кожухе меньшего диаметра 
 

Конструкции крепления  плавающей головки с трубной  решеткой, позволяющие легко извлекать  трубный пучок из кожуха при минимальном  зазоре А между трубным пучком и кожухом, показаны на рис. 1.17. В одном из таких простых соединений использованы разрезные фланцы (рис. 1.17, а). Конструкция включает разрезной фланец 1 (состоит из двух полуколец, стянутых ограничительным кольцом 2), уплотняющую прокладку 3, крышку 4 плавающей головки и трубную решетку 5. 

 

Рис. 1.17. Способы  крепления крышки плавающей головки  к трубной решетке: 

а – разрезным  фланцем; б – разрезной фланцевой  скобой; в – разрезным кольцом; г – разрезным стяжным кольцом 

Широко распространены соединения фланцевой скобой 2 (рис. 1.17, б), представляющей собой приспособление типа струбцины. Соединение состоит из двух полуколец, охватывающих край трубной решетки 4 и фланец 3 крышки. Винты 1 должны быть расположены посередине уплотнения, что обеспечивает разгрузку фланца от изгибающих моментов. 
 
 

В другой конструкции (рис. 1.17, в) накидной фланец 1 удерживается разрезным кольцом 2, вставленным  в паз трубной решетки 3. Широко применяют также крепление крышки 3 (рис. 1.17, г) и трубной решетки 4 разрезным кольцом 1, половинки которого соединены между собой накладками 2. 
 

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 (рис. 1.18) 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. 
 
 

 
 

Рис. 1.18. 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 ПК) 

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

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

Теплообменник этой конструкции (рис. 1.19) отличается от рассмотренных наличием на крышке 2 удлиненного штуцера (горловины) 3, внутри которого размещен компенсатор 4. Последний соединен одним концом с рлавающей головкой 1 другим – со штуцером на крышке теплообменника. Конструкции остальных узлов теплообменника аналогичны используемым в аппаратах типа П.