5.2.2  Теплообменники с компенсацией  температурных напряжений

 

          Между двумя частями кожуха теплообменников типа К вваривают линзовый компенсатор с обтекателем, уменьшающим гидравлическое сопротивление межтрубного пространства. Одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы (рис. 5.5а,б) изготавливают обкаткой коротких цилиндрических обечаек. Компенсирующая способность с ростом числа элементов увеличивается, однако применять компенсаторы с числом линз более 4-х не рекомендуется, т.к. резко снижается сопротивление кожуха изгибу. В нижней части компенсаторов горизонтальных аппаратов имеются дренажные отверстия с заглушками для слива затекающего за обтекатель теплоносителя.

          Кроме линзовых, в аппаратах типа К используют следующие компенсаторы, см. рис. 5.6в,г,д,е: сваренные из двух полулинз, полученных из листа штамповкой; из плоских колец, соединенных пластиной; сваренные из двух полусферических элементов; тороидальные, изготовленные из согнутой трубы с вырезанной внутренней поверхностью. Эти компенсаторы дешевле линзовых, но из-за наличия сварных швов не могут выдерживать больших напряжений.

          К аппаратам, обеспечивающим частичную компенсацию температурных деформаций за счет гибких элементов относится также теплообменник с расширителем на кожухе (рис 5.7). Дополнительное преимущество этой конструкции - исключение застойных зон в межтрубном пространстве вблизи трубных решеток, которые возникают из-за расположения штуцеров ввода и вывода теплоносителя на некотором расстоянии от решеток. Расширитель играет роль компенсатора, а распределитель направляет поток теплоносителя к трубной решетке. Теплообменники с компенсаторами и расширителями дороже аппаратов типа Н, но допускают гораздо больший перепад температур стенок труб и кожуха. Область их применения ограничена давлением теплоносителей 2.5 МПа.

          В кожухотрубчатых теплообменниках типа П (с плавающей головкой) температурные деформации кожуха и труб практически исключены, т.к. только одна трубная решетка приварена к корпусу, а другая имеет возможность свободного осевого перемещения, см. рис. 5.8. Подвижная трубная решетка вместе с присоединенной к ней крышкой образует "плавающую головку", которая перемещается внутри кожуха при нагревании и удлинении труб. Однако компенсация температурных деформаций в аппаратах типа П не является полной, т.к. различие температурных расширений труб может привести к короблению трубной решетки. Поэтому в многоходовых теплообменниках типа П с диаметром кожуха D > 1 м при значительном (>100^о С) изменении температуры среды в трубном пучке устанавливают разрезные по диаметру плавающие головки. Недостаток этих аппаратов по сравнению с теплообменниками типа Н и К - больший зазор  между кожухом и трубами (на ширину фланца плавающей головки), достоинство - возможность извлечения трубного пучка из кожуха и механической очистки внешней поверхности труб при их коридорном расположении. Крепление плавающей головки к решетке разрезным фланцем, который состоит из двух полуколец, стянутых ограничительным кольцом (рис. 5.9), позволяет легко извлекать трубный пучок из кожуха при минимальном зазоре.

          Конструкция теплообменника типа ПК (с плавающей головкой и компенсатором) отличается от рассмотренной наличием на одной из крышек удлиненного штуцера, внутри которого размещен линзовый компенсатор, соединенный с плавающей головкой (рис. 5.10). Теплообменники этого типа выполняют одноходовыми с противоточным движением теплоносителей и используют при повышенных давлениях сред (5¸10 МПа). Компенсаторы отличаются от используемых в аппаратах типа К меньшими диаметрами, большим числом линз, меньшей толщиной стенки. Теплообменники типа ПК можно использовать при перепаде давлений не более 2.5 МПа, поэтому подача теплоносителей в трубное и межтрубное пространство осуществляется одновременно.

          В кожухотрубчатых теплообменниках  типа У  (с U-образными трубами), см. рис. 5.11, обеспечивается свободное удлинение труб и полностью отсутствуют температурные напряжения. Еще одно преимущество этой конструкции - возможность периодического извлечения трубного пучка из кожуха для очистки. Теплообменники типа У являются двухходовыми по трубному пространству и одно- или двухходовыми по межтрубному. В последнем случае в межтрубном пространстве устанавливается продольная перегородка, извлекаемая из кожуха вместе с трубами. Разность температур стенок труб по ходам не должна превышать 100^о С, в противном случае могут возникнуть опасные напряжения в трубной решетке. Поскольку механическая очистка внутренней поверхности U-образных труб практически невозможна, в трубное пространство этих аппаратов направляют среды, не образующие твердых отложений. Чистка внутренней поверхности труб осуществляется подачей водяного пара, горячих нефтепродуктов, химических реагентов, потока воды с абразивным материалом. Аппараты типа У не нашли широкого применения по причине относительно плохого заполнения кожуха трубами из-за ограничений на радиус их изгиба (³ 4× d_н), а также сложности размещения труб и отсутствия возможности их замены (за исключением внешних).

 

          5.2.3  Расчеты кожухотрубчатых теплообменников

 

          К числу технологических расчетов кожухотрубчатых теплообменников относятся тепловой и гидравлический расчет. Методика теплового расчета достаточно подробно рассматривалась в курсах "Термодинамика" и "Процессы и аппараты химической технологии". Целью гидравлического расчета является определение гидравлических сопротивлений его трубного и межтрубного пространства, определение мощности насосов и газодувок, используемых для транспортировки теплоносителей через аппарат.

          Без учета неизотермичности потока общее сопротивление трубного пространства (рис. 5.12) 

           Dр_т = Dр₁ + z×(Dр₂ + Dр_тт + Dр₃) + Dр₄ + {Dр₅},

межтрубного 

           Dр_м = Dр₆ + (l/l_п)×Dр_тм + (l/l_п - 1)×Dр₇ + Dр₈.

Здесь учтены следующие потери давления: Dр₁, Dр₄ - при входе и выходе потока из распределительной камеры;  Dр₂, Dр₃ - при входе и выходе потока из труб;  Dр₆, Dр₈ - при входе и выходе потока из межтрубного пространства; Dр_тт, Dр_тм -  на трение в трубах и межтрубном пространстве; Dр₅ - при повороте труб на 180^о (в аппаратах типа У);  Dр₇ - на огибание потоком перегородки. В этих формулах z - число ходов теплоносителя по трубам, l - длина труб, l_п - расстояние между перегородками.

          Потери давления в местных сопротивлениях Dр_i = z_i×(r×w_i²/2), i = 1,...,8, где r - плотность теплоносителя, w_i - скорость потока в узком сечении рассматриваемого участка (ориентировочное значение условного прохода штуцера d_ш = 0.3×D ^0.86),  z_i - коэффициент местного сопротивления (даются в справочниках). Потери на трение:

          -  Dр_тт = l_т×(l/d)×(r×w_т²/2), где w_т - скорость потока в трубах,  l_т - коэффициент трения в трубах (64/Re_т при Re_т £ 2300 и 0.316/Re_т^0.25 при 2300< Re_т <100000);  

          -  Dр_тм = l_м×(r×w_м²/2), где w_м - скорость потока в узком сечении межтрубного пространства, l_м - коэффициент трения в межтрубном пространстве ((4+2.31×D/d_н)/Re_м^0.28 для "шахматного" расположения труб и (5.4+1.054×D/d_н)/Re_м^0.28 - для "коридорного").  

 

Коэффициенты местных сопротивлений кожухотрубчатого теплообменника

 

Вход в распределительную камеру                                         -          1

Поворот потока и вход в трубы                                                -          1

Выход из труб и поворот потока                                              -          1,5

Выход из распределительной камеры                                     -          0,5

Поворот в U-образных трубах                                                  -          0,5

Вход в межтрубное пространство                                            -          1,5

Огибание перегородок в межтрубном пространстве                 -          1,5

Выход из межтрубного пространства                                       -          1,5

 

          Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления трубного или межтрубного пространства (Dp) N = V×Dp/h, где V - объемный расход теплоносителя,  h - к.п.д. машины, создающей напор.