Способы размещения и крепления труб в кожухотрубчатом теплообменнике
Кожухотрубчатый теплообменник относится к типу поверхностного рекуперативного теплообменного оборудования, в котором процесс теплообмена совершается через стенки теплопередающих поверхностей. В отличие от регенеративных теплообменников, где теплообменные процессы проходят попеременно, в рекуперативных агрегатах теплообменные среды постоянно взаимодействуют друг с другом через теплопередающие поверхности.
Основные элементы кожухотрубчатого теплообменника – это трубные пуки, трубные решетки, крышки и перегородки в самих крышках и межтрубном пространстве. Способ крепления в межтрубном пространстве может быть различным. Целесообразность использования того или иного метода крепления труб может установить расчет теплообменников.
Как правило, трубы кожухотрубчатого теплообменника размещают по схеме оптимального вписывания в какую-либо геометрическую фигуру. Чаще всего трубы размещают по периметру правильного шестиугольника либо по концентрической окружности. В самых редких случаях трубы размещаются по периметру прямоугольника. Это делается в агрегатах, где необходимо обеспечить удобную чистку труб.
Но в основном поиск разных способов размещения труб в межтрубном пространстве направлен на то, чтобы сделать теплообменный агрегат как можно более компактным. Размещение труб по периметру шестиугольника обеспечивает наиболее компактное размещение. Поэтому этот способ используется чаще всего.
Крепление труб в кожухотрубчатом теплообменнике
Крепление труб в кожухотрубчатых теплообменниках в некоторых случаях осуществляется развальцовкой. Наиболее прочное соединение достигается, если в трубных решетках устраиваются отверстия с кольцевыми канавками.
Используется также крепление при помощи сварки. Это допустимо в агрегатах, где условия протекания теплообменных процессов допускают использование жестких конструкций. Медные и латунные трубы крепятся при помощи пайки.
Одно из наиболее редких типов крепления труб кожухотрубчатого теплообменника – соединение с помощью сальников. В этом случае трубы внутри трубной решетки могут свободно перемещаться в продольном направлении. Такое крепление позволяет быстро заменять трубы кожухотрубчатого теплообменника, если возникает такая необходимость. Температурные деформации труб также сводятся к минимуму при таком способе крепления. Единственный его минус – дороговизна. А поскольку при расчете теплообменников учитываются и экономические факторы, то такой способ крепления выбирается реже. Кроме того, останавливает сложность этого способа крепления труб и его недостаточная надежность.
Выбор того или иного способа размещения труб в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника – это способ сделать агрегат надежным, компактным и эффективным.
Для повышения интенсивности теплообмена в трубном и межтрубном пространстве дополнительно устанавливают перегородки. В большинстве кожухотрубчатых теплообменников устанавливаются перегородки сегментные, спиральные и диско-кольцо.
Правда, при применении многих видов перегородок, теряется равномерность скорости движения теплоносителей. Это приводит к образованию отложений на стенках, что впоследствии снижает тепловую мощность агрегата. Отложения на стенках теплообменных агрегатов часто становятся причиной изменения гидродинамического режима перемещения среды, заданного при расчете теплообменников. Избежать этого помогает размещение витых перегородок в межтрубном пространстве.
За счет этого движение сред в межтрубном пространстве становится макровихревым. Это приводит к тому, что теплоотдача увеличивается несколько раз (от трех до пяти). Одновременно с увеличением интенсивности теплообменных процессов происходит выравнивание скорости движения среды. Это исключает риск образования отложений и потенциального снижения теплообменной мощности.
Вариантов размещения и крепления труб в кожухотрубчатом теплообменнике множество. При расчете теплообменников учитываются все факторы, которые влияют на тепловую мощность теплообменных агрегатов.
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты
Кожухотрубчатый теплообменный аппарат (рис. 4.9) состоит из кожуха и пучка труб, закрепленных в трубных решетках (досках) для создания проточных каналов. В межтрубное пространство подают, как правило, менее, а в трубы — более загрязненный теплоноситель. Крышки распределительных камер и кожух, замыкающие межтрубное пространство, снабжены штуцерами для подвода и отвода теплоносителей.
Рис.4.9. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты непрерывного действия:
а – одноходовой с жестко закрепленными решетками; б – с концентрическими; в – с сегментными перегородками в межтрубном пространстве; г – с температурными компенсаторами на корпусе; д – с плавающей нижней головкой; е – с U-образными трубами; ж – с сальниковым уплотнением на верхней плавающей головке; 1 – корпус или кожух; 2 – трубные решетки; 3 – трубы; 4 – днища и крышки распределительных камер; 5, 6 – фланцы; 7 – опоры
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты применяют для нагрева и охлаждения жидкостей и газов, а также для испарения и конденсации веществ в различных технологических процессах. В частности, их используют как регенеративные подогреватели питательной воды, в системах водоподготовки, в качестве маслоохладителей.
При заданном расходе теплоносителя G, кг/с, и выбранной скорости его движения w, м/с, в трубах их количество в одном ходе теплообменника
Площадь поверхности теплообмена
где l — рабочая длина труб; dcp — их расчетный диаметр, равный
z — число ходов трубного пространства. Длину теплообменных труб рекомендуется принимать 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000 и 9000 мм. В кожухотрубчатых теплообменниках с площадью поверхности до 300 м 2 — не более 4000 мм [7, 8].
Размещение труб в трубных решетках производится по вершинам равносторонних треугольников, по концентрическим окружностям или по вершинам квадратов. Наиболее распространенным способом является первый вариант (рис. 4.10). Количество труб в аппарате в зависимости от их диаметра, диаметра корпуса и числа ходов в трубном пространстве указано в табл. 4.9 [ 7, 8].
Рис.4.10. Размещение труб в трубной решетке:
а – по концентрическим окружностям; б – по вершинам равносторонних треугольников; в – шахматное; г – коридорное
Таблица 4.9. Количество труб в кожухотрубчатых теплообменниках при размещении их по вершинам равносторонних треугольников [ 7, 8 ]
П р и м е ч а н и е. В скобках указано количество труб для теплообменников при размещении без отбойников, когда трубы добавлены с двух сторон большого шестиугольника.
Диаметры и шаги отверстий в трубных решетках и перегородках теплообменников, при расположении труб по вершинам равностороннего треугольника, определяют по наружному диаметру труб (табл. 4.10).
Таблица 4.10. Диаметры отверстий в трубных решетках и перегородках кожухотрубчатых теплообменников [ 8 ]
При развальцовке труб шаг s = (l,3 ¸ 1,6) dн, при сварке s = l,25 dн. Минимальная толщина: для стальной решетки d р мин = 5 + 0,125 dн, медной d р мин = =10 + 0,2 dн Толщина решетки проверяется расчетом на прочность с учетом ослабления ее отверстиями и способа размещения труб.
Внутренний диаметр кожуха одноходового теплообменника Dв = s (b – 1) + 4dн или Dв = l,l s \(\sqrt
Расчетное значение внутреннего диаметра кожуха округляют до ближайшего из следующего ряда: 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800 и 4000 мм. Цилиндрические кожухи аппаратов можно изготавливать из стальных труб с наружным диаметром 159, 219, 273, 325, 377, 426, 480, 530, 720, 820, 920 и 1020 мм.
Для теплообменников без перегородок площадь живого сечения межтрубного пространства \(
Если fмт > f, где f — расчетное значение живого сечения межтрубного пространства, то межтрубное пространство разделяют перегородками на число ходов i = fмт / f. Число ходов в межтрубном пространстве рекомендуется принимать из ряда 1, 2, 3, 4, 6. Для теплообменника, у которого межтрубное пространство разделено на i ходов поперечными сегментными перегородками, приведенное сечение, по площади которого рассчитывается (уточняется) скорость теплоносителя в межтрубном пространстве,
где lc – расстояние между сегментными перегородками; j – коэффициент, учитывающий сужение живого сечения межтрубного пространства\[\phi =\frac<1-
Lэкв = lc + Dв – 4 b /3 – эквивалентная длина пути теплоносителя; b – расстояние от края сегментной перегородки до корпуса аппарата, b = (0,2 ¸ 0,4) Dв.
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего назначения изготовляют из углеродистой или нержавеющей стали с площадью поверхности теплообмена от 1 до 2000 м 2 на условное давление до 6,4 МПа. Конструктивно они подразделяются на типы, показанные на рис. 4.9. Основные параметры и размеры кожухотрубчатых теплообменных аппаратов приведены в табл. 4.11 – 4.16.
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты типа ТН (c неподвижными решетками) и ТК (с линзовыми компенсаторами на кожухе) изготовляют горизонтальными и вертикальными из углеродистой стали (рис. 4.11). Теплообменники типа ТН применяют для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред с температурой от –30°С до + 350°С на условное давление от 0,6 до 6,4 МПа.
Рис.4.11. Блок из двух кожухотрубчатых теплообменников
При разности температур между теплоносителями свыше 50°С рекомендуется применять теплообменники коллекторного типа, рассчитанные на рабочее давление не более 2,5 МПа [8, 25, 28].
Теплообменники типа ТН, ТК и ТП, изготовленные из углеродистой стали и предназначенные для взрывоопасной или токсичной среды, в зависимости от температуры должны допускаться в работу при пониженном давлении согласно [ 8 ]. При температурах теплоносителя более 400 о С необходимо применять теплообменники, изготовленные из легированной стали.
Основные параметры теплообменников сварной конструкции приведены в табл. 4.13 и 4.14.
Трубы для теплообменников выбирают из условий работы и агрессивности среды. Для стандартных теплообменников применяют трубы из углеродистой стали 10 или 20, коррозионностойкой стали ОХ18Н10Т и латуни ЛОМш 70-1-0,06. Размещение труб в решетках выполняют по вершинам равносторонних треугольников.
Таблица 4.11. Технические характеристики водо-водяных подогревателей, ГОСТ 27590-88 и ОСТ 34-588-68
| Обозначение | Наружный и внутренний диаметры корпуса Dн/Dвн, мм | Длина подогревателя с калачами | Площадь живого сечения, м 2 | |||||
| трубок | межтрубного пространства fмт | |||||||
| 01 ОСТ 34-558-68 | 0,00062 | 0,00116 | ||||||
| 03 ОСТ 34-558-68 | 0,00108 | 0,00233 | ||||||
| 05 ОСТ 34-558-68 | 0,00185 | 0,00287 | ||||||
| 07 ОСТ 34-558-68 | 0,00293 | 0,005 | ||||||
| 09 ОСТ 34-558-68 | 0,0067 | 0,0122 | ||||||
| 11 ОСТ 34-558-68 | 0,00985 | 0,02079 | ||||||
| 13 ОСТ 34-558-68 | 0,01679 | 0,03077 | ||||||
| 15 ОСТ 34-558-68 | 0,02325 | 0,01464 | ||||||
| 17 ОСТ 34-558-68 | 0,03325 | 0,05781 | ||||||
| 19 ОСТ 34-558-68 | 0,04356 | 0,07191 | ||||||
| 21 ОСТ 34-558-68 | 0,06927 | 0,11544 | ||||||
| 26 ОСТ 34-588-68 | 0,00062 | 0,00116 | ||||||
| 28 ОСТ 34-588-68 | 0,00108 | 0,00233 | ||||||
| 30 ОСТ 34-588-68 | 0,00185 | 0,00287 | ||||||
| 32 ОСТ 34-588-68 | 0,00293 | 0,005 | ||||||
| 34 ОСТ 34-588-68 | 0,0057 | 0,0122 | ||||||
| 36 ОСТ 34-588-68 | 0,00985 | 0,02079 | ||||||
| 38 ОСТ 34-588-68 | 0,01679 | 0,03077 | ||||||
| 40 ОСТ 34-588-68 | 0,02325 | 0,04454 | ||||||
| 42 ОСТ 34-588-68 | 0,03325 | 0,05781 | ||||||
| 44 ОСТ 34-588-68 | 0,04356 | 0,071191 | ||||||
| 46 ОСТ 34-588-68 Таблица 4.12. Технические характеристики горизонтальных пароводяных подогревателей, ГОСТ 28679-90, ОСТ 34-351-68, ОСТ 34-352-68, ОСТ 34-376-68 и ОСТ 34-577-68
| ||||||||