01.04.2023 дистант. Контрольное задание Изучить материал
 Скачать 0.89 Mb.
|
|
Кожухотрубчатые теплообменники: Теплообменники жесткой конструкции. Теплообменники с плавающей головкой. Теплообменники с U-образными трубами Контрольное задание: 1. Изучить материал. 2. В тетради изобразить теплообменник с неподвижной трубной решеткой 3. Дайте ответ в тетради на вопрос: что устанавливают для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом? 4. В тетради перечислите типы стальных кожухотрубчатых теплообменных аппаратов Теплообменники – наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. По ГОСТ 9929-82 стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготавливают следующих типов: Н – с неподвижными трубными решетками; К – с температурным компенсатором на кожухе; П – с плавающей головкой; У – с U-образными трубами; ПК – с плавающей головкой и компенсатором на ней.  Рис. 1. Теплообменник с неподвижной трубной решеткой Медные кожухотрубчатые аппараты по ГОСТ 1197-77 изготовляют двух типов (Н и К). В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготавливают одно- и многоходовыми. Использование стальных, кожухотрубчатых, теплообменных аппаратов различных типов в химических производствах характеризуется приблизительно следующими данными: Н – 5%, К - 15%, У – 3% П и ПК – остальное. Теплообменники с неподвижными трубными решетками (тип Н) Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведена на рис. 1. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5. Кожух и камеры соединены фланцами. Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой – в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху в стальных аппаратах приведены на рис. 2. Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимален; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена.  Рис. 2. Варианты крепления трубных решеток к кожуху аппарата Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы (рис. 3 а) или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха (рис. 3 б).  Рис. 3. Способы расположения в пространстве между трубным пучком и кожухом а) - полос и б) - заглушенных труб В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения больших коэффициентов теплоотдачи необходимы достаточно высокие скорости теплоносителей: для газов – 8-30 м/с, для жидкостей не менее 1,5 м/с. Скорость теплоносителей обеспечивают при проектировании соответствующим подбором площади сечения трубного и межтрубного пространства. Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то в результате теплового расчета определяют коэффициент теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной камере. Промышленностью выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые теплообменники жесткой конструкции. Двухходовой горизонтальный теплообменник типа Н (рис. 4) состоит из цилиндрического сварного кожуха 8, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух трубных решетках 3. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 1,12) и межтрубного (штуцера 2,10) пространств. Перегородка 13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой используется прокладка 14, уложенная в паз решетки 3.  Рис. 4. Двухходовой горизонтальный теплообменник с неподвижными решетками Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителя выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки 6, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство предусмотрен отбойник 9 – круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы местного эрозионного изнашивания. Теплообменники типа Н отличаются простым устройством и сравнительно дешевы, однако им присущи два крупных недостатка. Во-первых, наружная поверхность труб не может быть очищена от загрязнений механическим способом, а теплоносители в некоторых случаях могут содержать примеси, способные оседать на поверхности труб в виде накипи, отложений и др. слой таких отложений имеет малый коэффициент теплопроводности и способен весьма существенно ухудшить теплопередачу в аппарате. Во-вторых, область применения теплообменных аппаратов типа Н ограничена возникновением в кожухе и трубах так называемых температурных напряжений. Это явление объясняется тем, что кожух и трубы теплообменника при его работе претерпевают разные температурные деформации, так как температура кожуха близка к температуре теплоносителя, циркулирующего в межтрубном пространстве, а температура труб – к температуре теплоносителя с большим коэффициентом теплоотдачи. Разность температурных удлинений возрастает, если кожух и трубки изготовлены из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. Возникающие при этом напряжения, в сумме с напряжениями от давления среды в аппарате могут вызвать устойчивые деформации и даже разрушения конструкций. По указанной причине теплообменники типа Н используют при небольшой разности температур (менее 50 0С) кожуха и труб, при этом возможна так называемая самокомпенсация конструкции. Однако многие аппараты типа Н, серийно выпускаемые отечественной промышленностью, рекомендованы для работы при еще меньшей разности температур (менее 300С). Для исключения значительных температурных напряжений при пуске аппаратов типа Н сначала направляют теплообменную среду в межтрубное пространство, для выравнивания температур кожуха и труб, в затем вводят среду в трубы. Если расчетная разность температур кожуха и труб превышает указанную, используют теплообменные аппараты с частичной (тип К или ПК) или полной (тип У или П) компенсацией температурных напряжений. 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. 5) 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. 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.  Рис. 5. Теплообменник с U-образными трубами  Рис. 6. Двухходовой теплообменник с U-образными трубами  Рис. 7. варианты уплотнения пространства между перегородкой и кожухом: а – гибкой металлической пластиной, б – шнуром Для исключения перетекания теплоносителя в зазорах между кожухом аппарата (рис. 7) и перегородкой 2 у стенки кожуха устанавливают гибкие металлические пластины 3 (рис. 7, а) или прокладку 3 (рис. 7,6) из прорезиненного асбестового шнура, уложенную в паз перегородки 2. 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. 3.8. Специальная шпилька 3 с коническим стопорным выступом позволяет снимать распределительную камеру без нарушения соединения трубной решетки 2 с кожухом.  Рис. 8. 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≥4dT, где dT - 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. 9) 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. 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.  Рис. 9. Горизонтальный двухходовой конденсатор с плавающей головкой 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 с плавающей головкой обычно выполняют одноходовыми по межтрубному пространству, однако установкой продольных перегородок в межтрубном пространстве можно получить многоходовые конструкции. 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.  Рис. 10. Двухходовой теплообменник типа П с плавающей головкой: а – цельный, б – разрезной 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. |