Кожухотрубные теплообменники

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным теплообменным аппаратам, что обусловлено, прежде всего, надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, широким диапазоном применения по давлению, температурному режиму, потоковым средам, высокой ремонтопригодностью.

Они предназначены для работы с теплоносителями: газ–газ, жидкость–жидкость, пар–жидкость, газ–жидкость.

Теплообменник кожухотрубный появился, в связи с потребностью тепловых станций в теплообменниках с наиболее большой поверхностью теплообмена, например, таких как подогреватели воды и конденсаторы, которые работают при сравнительно высоком давлении. Также возможно использование кожухотрубных теплообменников в качестве подогревателей, конденсаторов и испарителей. На сегодняшний день их конструкция в результате специально проведенных разработок, с учетом большого опыта в эксплуатации, стала более модернизированной и совершенной.

Для эксплуатации в трудных условиях, кожухотрубные теплообменники зачастую приходилось применять с загрязненными жидкостями, при высоком давлении и температуре, именно поэтому, была необходимость конструировать их так, чтобы в дальнейшем можно было обеспечить простоту ремонта и очистки.

Кожухотрубные теплообменники (рис. 2.1, 2.4) представляют собой аппараты, выполненные из труб, собранных при помощи решеток в пучок и заключенных в кожух, обычно цилиндрической формы.

Трубы в решетках обычно равномерно размещают по периметрам правильных шестиугольников, реже применяют размещение труб по концентрическим окружностям (рис. 2.2). При использовании в межтрубном пространстве сильно загрязненных теплоносителей используется разбивка труб по периметрам прямоугольников или правильных квадратов, т.к. это облегчает очистку межтрубного пространства. Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель – обеспечить возможно более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. Наибольшее распространение получило размещение труб по сторонам правильных шестиугольников, так как при этом способе размещения труб достигается максимальная компактность теплообменника, уменьшается сечение межтрубного пространства теплообменника, что увеличивает скорость движущейся в нем рабочей среды и повышает коэффициент теплопередачи, теплообменник более технологичен в изготовлении и ремонте.

а)	б)
Рис.2.1. Кожухотрубные теплообменники: а – одноходовой; б – шестиходовой по межтрубному пространству

Схема размещения трубок по сторонам правильных шестиугольников даст равносторонний шахматный трубный пучок

Концы труб крепятся в трубных решетках чаще всего развальцовкой (рис. 2.3, а, б) причем особенно прочное соединение (необходимое в случае работы аппарата при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые заполняются металлом трубы в процессе ее развальцовки (рисунок 2.3, б).

Кроме того, используют закрепление труб сваркой (рис. 2.3, в), если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубной решеткой, а также пайкой (рис. 2.3, г), применяемой для соединения главным образом медных и латунных труб.

Рис. 2.3. Способы крепления труб в трубных решетках:

а – развальцовкой; б – развальцовкой с канавками; в – сваркой; г – пайкой;

д – сальниковыми устройствами.

 

Изредка используют соединение труб с решеткой посредством сальников (рис. 2.3 д), допускающих свободное продольное перемещение труб и возможность их быстрой замены. Такое соединение позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб, но является сложным, дорогим и недостаточно надежным.

Так как проходное сечение межтрубного пространства в 2…3 раза больше проходного сечения внутри труб, при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием, коэффициент теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невелик, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Для создания высоких значений коэффициента теплоотдачи a в межтрубном пространстве устанавливают перегородки (рис. 2.1, б). Устройство перегородок в межтрубном пространстве увеличивает скорость теплоносителя и соответственно эффективность теплообмена.

Для интенсификации теплообмена в трубном пространстве организуют прохождение теплоносителя в несколько ходов (рис. 2.4, б, в).

Теплопередающая поверхность кожухотрубных теплообменников составляет от нескольких сотен см² до нескольких тысяч м².

 

а)	б)
в)	г)
Рис. 2.4. Кожухотрубные теплообменники с компенсацией неодинаковости температурных удлинений труб и кожуха: а – теплообменник с линзовым компенсатором (полужесткая конструкция); б – аппарат с U-образными трубами; в – аппарат с W-образными трубами; г – с плавающей головкой

 

 

В кожухотрубных теплообменниках промышленных технологических установок, в конденсаторах паровых турбин, водоподогревателях тепловых электростанций и тепловых сетей обычно применяют трубы внутренним диаметром 12…38 мм, длиной 0,9…6 м,толщиной стенки 0,5…2,5 мм. При увеличении диаметра труб значительно снижается компактность и возрастает металлоемкость аппарата. Если вероятность загрязнения отсутствует, можно использовать трубы диаметром 4…10 мм. Это повышает интенсивность теплообмена, но повышаются и гидравлические сопротивления. Кроме того, необходима большая точность изготовления, так как при малых проходных сечениях уже небольшие различия в диаметре и расположении труб в пучке вызывают значительную неравномерность расходов теплоносителяпо параллельным каналам, и снижают тепловую мощность аппарата. 

В парожидкостных теплообменникахпар пропускается в межтрубном пространстве, а жидкость течет в трубах. Разность температур стенок корпуса и труб в этих теплообменниках значительна, поэтому они снабжаются компенсирующими устройствами для предотвращения температурных деформаций. Но компенсаторы можно ставить только при низких давлениях в межтрубном пространстве (до 1 МПа).

Если пар и воздух (для увеличения коэффициента теплоотдачи a обычно пропускают в межтрубном пространстве, то дымовые газы пропускают по трубам с целью уменьшения засорения аппарата золой и сажей и облегчения его чистки

В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубные теплообменники жесткой, полужесткой и нежесткой конструкций.

Аппараты жесткой конструкции используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб; эти теплообменники отличаются простотой устройства (рис. 2.1).

В теплообменнике полужесткой конструкции  температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением линзового компенсатора (рис. 2.4, а). Такие теплообменники применяют при небольших температурных деформациях (~ 10…15 мм) и невысоких давлениях в межтрубных пространствах.

Если разность температур труб и кожуха достаточно велика (свыше
50°С), то трубы и кожух удлиняются неодинаково, что приводит к значительным напряжениям в трубных решетках, нарушению плотности соединения труб с трубными решетками. Это может привести к смешению теплоносителей или деформации труб. Поэтому при значительной разнице температур труб и кожуха применяют теплообменники нежесткой конструкции, в которых возможно перемещение труб по отношению к кожуху аппарата для устранения дополнительных напряжений от температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке или корпусе, пучком U-образных или W-образных труб, подвижной трубной решеткой закрытого или открытого типа. В теплообменнике с U-образными и W-образными трубами (рис. 2.4, б, в) оба конца труб закреплены в одной трубной решетке, что позволяет трубам свободно удлиняться.

Теплообменник с плавающей головкой (рис. 2.4, г) применяют при значительных относительных перемещениях труб и кожуха, поскольку в нем одна из решеток не соединена с кожухом и может свободно перемещаться вдоль оси при температурных удлинениях.

В кожухотрубном теплообменнике один из теплоносителей протекает по трубам, другой – по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стен труб.

Кожухотрубные теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа.

Теплообменники с неподвижными решетками типов ТН, ТК, ХН, ХК, КН, КК, ИН, ИК изготавливаются по ТУ 3612-024-00220302-02 -Аппараты теплообменные кожухотрубчатые с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе.

Теплообменники с компенсацией неодинаковости температурного расширения труб и кожуха типов ТП, ХП, КП, ТУ изготавливаются по ТУ 3612-023-00220302-01 - Аппараты теплообменные кожухотрубчатые с плавающей головкой, кожухотрубчатые с U-образными трубами и трубные пучки к ним.