5.2   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 теплобмена кожухотрубчатых теплообменников F = p×d_ср×l×n, где l - длина труб, n - их число, d_ср= (d_н + d)/2 - средний диаметр. Наиболее популярны трубы с наружным диаметром 20 и 25 мм, толщиной стенки 2 мм. 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 ³ 1.5 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.

 

Параметры кожухотрубчатых теплообменников

 

Тип
Обозначение	Н, ТН	К, ТК	П, ТП	У, ТУ	ПК
Доля, %	75	15	3	7
F,  кв. м	1 - 5000	1 - 5000	10 - 1250	10 - 1400	170 - 1900
D,  м	0,16 - 3,0	0,16 - 3,0	0,32 - 2,8	0,32 - 2,8	0,8 - 1,8
L,  м	1 - 9	1 - 9	3 - 9	3 - 9	6 - 9
Fуд, кв. м/ куб.м	35 - 75
P,  атм.	40	25	64	64	64
T, oС	-30 ¸ +350	-30 ¸ +350	+30 ¸ +450	-30 ¸ +350	-30 ¸ +350
DT, oС	30	80	>100	100	>100
Рабочая среда в трубном пространстве	Жидкость, пар, газ, загрязненные, коррозионно-активные, при высоких давлениях и температурах, при меньших расходах.
Рабочая среда в межтрубном пространстве	Чистые жидкости, газы и пары при низком давлении, конденсирующиеся пары, кипящие жидкости.

 

F - площадь поверхности теплообмена                        D - Диаметр кожуха

L - Длина рабочей части                                              F_уд - Удельная поверхность теплообмена

P - Допустимое давление                                            T - Температурный диапазон

DT - Допустимый перепад температур

 

 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. рис 5.1. Шахматное расположение труб более компактно, а при коридорном возможна механическая очистка их внешней поверхности. Величина шага t между трубами зависит от их диаметра: при d_н = 20 мм

t = 26 мм, при d_н = 25 мм  t = 32 мм.

 

 

 

 

       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 5.2.1  Теплообменники типа Н

          Особенностью аппаратов типа Н (рис. 5.2) 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 (рис. 5.3). 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. рис. 5.4а. Прочность и герметичность соединения значительно возрастают при развальцовке в отверстиях с канавками глубиной 0.5 мм (рис. 5.4б). Трубы развальцовывают на глубину 1.5× d_н или на всю толщину решетки, если она меньше 1.5× d_н (со стороны межтрубного пространства оставляют поясок шириной 3 мм, чтобы не подрезать трубу). Для исключения коррозии по причине проникновения среды между трубой и толстой решеткой развальцовку выполняют двумя поясками: шириной 1.5× d_н со стороны распределительной камеры и 0.75× d_н со стороны межтрубного пространства. При креплении труб в решетке сваркой с развальцовкой (рис. 5.4в) вначале выполняют сварку. Пайку концов труб в решетках (рис. 5.4г) применяют при изготовлении теплообменников из меди и ее сплавов.

          Поперечные перегородки в межтрубном пространстве (рис. 5.5) 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. рис. 5.5а. 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 продольных перегородок распределительных камер и крышек 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 температур теплоносителей 50^о С 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 превы-

шает 30^о С, рекомендуется использовать теплообменники с частичной (тип К, ПК) или полной компенсацией температурных напряжений (тип П,У).