Кожухотрубні теплообмінники

Трубчасті теплообмінники

КОНСТРУКЦІЇ ТЕПЛООБМІННИХ АПАРАТІВ

Всі теплообмінники залежно від способу передачі тепла поділяють на такі групи

1) Поверхневі теплообмінники – перенесення тепла між теплоносіями відбувається через стінку, яка їх розділює;

2) Теплообмінники змішування – тепло від одного середовища до іншого передається під час їхнього безпосереднього контакту.

3) Регенеративні теплообмінники, в яких теплообмін теплоносіїв проходить за рахунок їх почергового контактування з твердими тілами – насадками, що заповнюють апарат.

Найбільш широко у промисловості використовують поверхневі теплообмінники.

Вибір матеріалу для виготовлення апаратів для теплообміну зумовлений його корозійною стійкістю, теплопровідністю, та особливостями експлуатації. Найчастіше застосовують для цього вуглецеві і леговані сталі, мідь, титан, графіт, тефлон тощо. Конструкція апарату повинна відповідати певним вимогам: простота і зручність монтажу та ремонту, забезпечення меншої забрудненості поверхонь теплообміну, доступність для огляду і ремонту.

Цей тип поверхневих теплообмінників найчастіше використовується у промисловості. Схему одноходового теплообмінника показано на рис. 1.

Рис.1. Кожухотрубний одноходовий теплообмінник:

1 – корпус; 2 – трубні решітки;

3 – труби; 4 – кришки

Одноходовий кожухотрубний теплообмінник жорсткої конструкції має корпус або кожух 1 з привареними до нього трубними решітками 2, в яких закріплений пучок труб 3. До трубних решіток на болтах і прокладках кріпляться кришки 4. Один теплоносій рухається трубним простором, а інший - міжтрубним. Теплоносії здебільшого рухаються протитоком один до другого. Вибір напряму руху кожного із теплоносіїв обумовлений напрямом, у якому вони прагнуть рухатися під впливом зміни їх густин під час нагрівання або охолодження. Тобто середовище, яке підлягає нагріванню направляють знизу вверх, а те що віддає тепло – у протилежному напряму. За таких умов досягають більш рівномірного розподілу швидкостей. Інакше, більш нагріта частина рідини, як більш легка буде накопичуватись у верхній частині апарату, утворюючи застійні зони.

Труби в решітках рівномірно розміщені по периметрах правильних шестикутників (рис.2.а), по концентричних колах (рис. 2.б) або по периметрах прямокутників (рис 2.в), коли необхідно забезпечити зручну очистку зовнішньої поверхні труб. Найбільша компактність розміщення необхідної поверхні теплообміну в середині апарата досягається у разі розміщення труб по периметрах правильних шестикутників.

Рис.2. Способи розміщення труб у теплообміннику:

а – по периметрах правильних шестикутників; б – по концентричних колах; в – по периметрах прямокутників (коридорне розміщення).

Труби закріпляють в решітках найчастіше розвальцьовуванням (рис 3а, б). Для роботи апарату за підвищених тисків необхідно забезпечити особливо міцне з‘єднання, що досягається у разі розміщення у трубних решітках отворів з кільцевими каналами, які заповнюють металом труби під час її розвальцьовування (рис.3.б). Якщо матеріал труби не піддається витягуванню и припустиме жорстке з‘єднання труб з трубною решіткою, то їх закріплення здійснюють зварюванням (рис.3. в). Для з‘єднання мідних та латунних труб використовують припаювання (рис 3.г). За необхідності зменшення температурної деформації труб а також для можливості їхнього поздовжнього переміщення і швидкої заміни труби з‘єднують з решіткою сальниками (рис 3.3д). Однак таке з‘єднання є складним дорогим та ненадійним, тому використовується рідко.

У разі невеликих витрат рідини, її швидкість в трубах одноходових теплообмінників є низькою, а коефіцієнти тепловіддачі – невеликі. Цього можна уникнути зменшенням діаметра труб і збільшенням їх довжини. У цьому випадку збільшується швидкість руху теплоносія і інтенсивність теплообміну.

Рис.3. Кріплення труб в трубних решітках: а – розвальцьовуванням; б – розвальцьовування з каналами; в – зварюванням; г – припаюванням; д – сальниковими пристроями

Схема багатоходового теплообмінника показана на рис.4. Від одноходового теплообмінника ця конструкція відрізняється тим, що труби розділені на секції поперечними перегородками 5, встановленими в кришках теплообмінника. Розбиття на ходи, якими послідовно рухається рідина, що протікає у трубному просторі теплообмінника здійснюють таким чином, щоб у всіх секціях знаходилась приблизно однакова кількість труб. Через те, що площа сумарного поперечного перерізу труб розміщених у одній секції є меншою ніж поперечний переріз всього пучка труб, швидкість рідини в трубному просторі багатоходового теплообмінника зростає (відносно до швидкості у одноходовому теплообміннику) в кількість разів, що дорівнює кількості ходів. Для збільшення швидкості і подовження шляху руху середовища у між трубному просторі призначені сегментні перегородки 6, які в горизонтальних теплообмінниках одночасно є й проміжними опорами для пучка труб.

Однак підвищення інтенсивності теплообміну у багатоходових теплообмінниках супроводжується зростанням гідравлічного опору та ускладненням їх конструкції. Тому доцільно використовувати 5-6-ходові апарати.

Рис.4. Кожухотрубний

багатоходовий теплообмінник:

1 – корпус; 2 – трубні решітки; 3–труби;

4–кришки;5–перегородки в кришках; 6-пегородки у міжтрубному просторі.

Одноходові та багатоходові теплообмінники можуть бути вертикальними або горизонтальними. Простішими у експлуатації і компактнішими є вертикальні апарати. Горизонтальні теплообмінники здебільшого багатоходові і забезпечують більшу швидкість середовищ, що задіяні у теплообміні, для того щоб мінімізувати розшаровування рідин внаслідок різниці їх густин і температур, а також уникнути утворення застійних зон.

Для уникнення неоднакового подовження труб і кожуха, значної напруги в трубних решітках, порушення щільності з‘єднання труб з решітками, руйнування зварних швів, змішування теплоносіїв, що є наслідком різниці температур між трубами і кожухом більшої ніж 50⁰С, використовують кожухотрубні теплообмінники з лінзовим компенсатором 1 (рис.5. а), який піддається пружній деформації. Така конструкція придатна для експлуатації за невеликих надлишкових тисків у між трубному просторі, що не перевищують 6 атм.

За необхідності забезпечення великих зміщень труб і кожуха використовують теплообмінник з плаваючою головкою (рис. 5.б), в якому рухома нижня трубна решітка 2 дає змогу вільно переміщатись не залежно від корпуса апарата у всьому пучку труб. Однак така конструкція є складною і громіздкою. Простішою і менш металоємною конструкцією апарата є кохухотрубний теплообмінник з U- подібними трубами (рис5.в), в якому труби 3 виконують функцію компенсуючих пристроїв

Рис.5. Кожухотрубні теплообмінники з компенсуючими механізмами:

а – з лінзовим компенсатором; б – з плаваючою головкою; в – з U- подібними трубами;

1 – компенсатор; 2 – рухома трубна решітка; 3 - U- подібні труби

Ці теплообмінники є зручними під час обслуговування, а у двох- та багатоходових досягають інтенсивного теплообміну. До недоліків цих теплообмінників належать: складність очищення внутрішньої поверхні труб та складність розміщення великої кількості труб у трубній решітці.

1.2. Двотрубчасті теплообмінники типу “труба в трубі”

Апарати такого типу містять декілька послідовно з‘єднаних трубчастих елементів, що утворені двома концентрично розміщеними трубами (рис. 6), в яких один теплоносій рухається внутрішніми трубами 1, а інший – кільцевим зазором між внутрішніми і зовнішніми 2 трубами. Діаметр внутрішніх труб здебільшого становить 57 – 108 мм, а зовнішніх – 76 – 159мм. Внутрішні труби з‘єднуються калачами 3, а зовнішні - патрубками 4.

Рис.6. Теплообмінник типу „труба в трубі”:

1 – внутрішні труби; 2 – зовнішні труби; 3 – калач; 4 – патрубок

У двотрубчастих теплообмінниках навіть за невеликих витрат досягають достатньо високих швидкостей рідини (1 – 1,5 м/с), оскільки поперечний переріз трубного і міжтрубного простору не великий, і тому отримують вищі коефіцієнти теплопередачі і більші теплові навантаження на одиницю маси апарата ніж у теплообмінниках інших конструкцій. Зростання швидкості теплоносія зменшую можливість відкладення забруднень на поверхні теплообміну. Апарати цього типу ефективно працюють за невеликих витрат теплоносія і за високих тисків, у разі необхідності збільшення поверхні теплообміну їх виконують з декількох паралельних секцій.

До недоліків двотрубчастих теплообмінників належать: громіздкість, металоємність та невелика площа теплообміну.

Дата добавления: 2014-01-04