Кожухотрубчатые теплообменные аппараты - принцип устройства и работы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Большинство теплообменников применяемых на нефтеперерабатывающих установках – кожухотрубчатые, состоящие из цилиндрического кожуха (корпуса) и помещенного в нем пучка труб. В основу квалификации кожухотрубчатых теплообменников положен способ компенсации температурных деформаций. Отличают теплообменники жесткой конструкции и теплообменники с самостоятельной компенсацией трубных пучков.

     Кожухотрубчатые цилиндрические стальные теплообменные аппараты, применяемые в химической, нефтехимической и газовой отраслях промышленности, изготовляют следующих типов: Н – с неподвижными трубными решетками; К – с температурной компенсацией на кожухе; П – с плавающей головкой; У – с U-образными теплообменными трубами. На каждый тип кожухотрубчатых теплообменников существует отдельный ГОСТ (см. приложение).

 

Теплообменники жёсткой конструкции.

 

     Конструктивная особенность этих теплообменников заключается в том, что пучок труб, собранный в двух трубных решетках, вместе с ними жестко закреплен в корпусе теплообменника. Это обеспечивает простоту конструкции и малый вес ее на единицу площади теплообмена (по сравнению с другими теплообменниками). Основной недостаток теплообменников жесткой конструкции - плохая восприимчивость к температурным напряжениям, что ограничивает область их применения.

     На рисунке показан кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции. Теплообменник одноходовой по корпусу; для интенсификации теплообмена устанавливают несколько трубных перегородок, регулирующих поток жидкости или газа. Перегородки придают пучку труб большую устойчивость, обеспечивая прямолинейность теплообменных труб, что очень важно для нормальной эксплуатации аппарата.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Теплообменники могут быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми – по числу ходов в теплообменных трубках. Число труб по ходам и разбивка отверстий в трубных решетках указаны в ТУ.

           Усилия, возникающие в корпусе и трубах жесткого теплообменника под действием температурных деформаций, зависят от разности температур стенок труб и корпуса, материала, из которого они изготовлены, а также от их поперечных сечений. Так как крепление корпуса и труб жесткое, они подвержены одинаковым по значению и противоположным по направлению усилиям.

     Все жесткие теплообменники выполняют малой длины, чтобы разность абсолютных удлинений не превышала допускаемых значений. Поскольку температурные напряжения велики, теплообменники жесткой конструкции без компенсации применяют только в тех случаях,  когда  разность   между   температурами   стенок   корпуса   и  труб не превышает 40 °C.

      При разности более 40 °C корпус аппарата снабжают линзовыми компенсаторами, воспринимающими температурные деформации. Как правило, линзовые компенсаторы устанавливают на корпусах малых диаметров, работающих при невысоких давлениях, иначе линзы следует выполнять толстостенными, что уменьшает их компенсационную способность. Компенсационная способность корпуса определяется числом и размерами компенсаторов на нем.

    При эксплуатации важно следить за тем, чтобы разность температур теплообменивающихся потоков не превышала допустимой. Следует иметь в виду, что механическая чистка стенок корпуса и наружных поверхностей труб от загрязнений практически невозможна, поэтому межтрубный поток в теплообменнике не должен содержать примесей. Замена вышедших из строя труб – весьма кропотливая операция, поэтому обычно их заглушают с двух сторон металлическими пробками.

    Для кожухотрубчатых теплообменников применяют трубы диаметром 20, 25 и 36 мм при толщине стенки соответственно 2; 2,5 и 3,5 мм. Чем меньше диаметр труб, тем больше поверхность теплообмена при равных объемах аппаратов. Длина теплообменных труб – 3; 6 и 9 м. Внутренний диаметр корпусов теплообменных аппаратов: 0,32; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0 м и далее до 3 м через каждые 0,2 м.

 

Теплообменники с плавающей головкой.

 

     Общий вид теплообменника с плавающей головкой приведен на рисунке.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      Одна из трубных решеток теплообменника не прикреплена к корпусу, так что температурные деформации воспринимаются корпусом и трубным пучком. Благодаря этому и корпус, и трубный пучок не испытывают температурных напряжений. Теплообменники такой конструкции в нефтеперерабатывающей промышленности находят наиболее широкое применение.

    Теплообменник работает следующим образом. Один из теплообменивающихся потоков поступает через штуцер в распределительную камеру, затем через часть труб пучка – в камеру, образованную подвижной трубной решеткой и ее крышкой (т.е. в плавающую головку). Изменив в камере направление движения, поток проходит оставшуюся часть труб и вновь поступает в распределительную камеру. Объем камеры разделен плоской перегородкой на две (или более) части. С помощью перегородок можно создать в теплообменниках два, четыре и большее число потоков по трубному пространству. Теплообменники называют соответственно двух-, четырех- и многопоточными. Другой теплообменивающийся поток поступает в корпус и, омывая теплообменные трубы, покидает его. Почти все теплообменники с плавающей головкой – одноходовые по корпусу (межтрубному пространству).

    Конструкция теплообменников с плавающей головкой разъемная – трубный пучок можно извлечь из корпуса, что позволяет осуществить чистку и осмотр поверхности труб и корпуса.

   Теплообменники с плавающей головкой изготавливаются с  диаметром кожуха от 325 до 1400 мм, условном давлении от 1,6 до 6,4 МПа в трубном или межтрубном пространстве, в пределах рабочих температур от -30 до +450 °C.

 

Теплообменники с U – образными трубами.

 

     Кожухотрубчатые аппараты с U – образными теплообменными трубами применяют в тех случаях, когда трубы не загрязняются в процессе работы или когда образующуюся на их стенках грязь можно легко смыть водой, либо растворить в керосине. Эти теплообменники отличаются простотой конструкции и надежностью при эксплуатации. Отсутствие в них узла плавающей головки и крышки корпуса значительно уменьшает опасность  образования  течей. Температурная компенсация свободного конца трубного пучка обеспечивается креплением к неподвижной трубной решетке обоих концов каждой трубы, согнутой в форме буквы U.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       Основные конструктивные размеры этих теплообменников такие же, как и теплообменников с плавающей головкой, но общая длина их несколько меньше. При одинаковых диаметрах корпуса и труб число U – образных труб в рассматриваемых аппаратах больше, чем в теплообменниках с плавающей головкой. Нужное число ходов по трубному пространству обеспечивается пере-городками в распределительной камере и соответствующей схемой сборки труб в трубной решетке. Механическая чистка теплообменников с U – образными трубами практически невозможна, поэтому в процессе эксплуатации необходимо принимать все меры для предотвращения образования на стенках труб твердых нерастворимых и несмываемых осадков.

 

Теплообменники «труба в трубе».

 

    Известно, что чем больше скорость движения среды, омывающей поверхность теплообменной трубы, тем меньше вероятность загрязнения поверхностей теплообмена, что обеспечивает стабильность коэффициента теплопередачи. При больших скоростях движения теплообменивающихся  потоков коэффициент теплопередачи значительно возрастает. Основное достоинство теплообменников «труба в трубе» - возможность установления наиболее целесообразных для данного процесса скоростей движения теплообменивающихся потоков. Эксплуатационные показатели этих теплообменников при правильных компоновке и обслуживании лучше, чем показатели аппаратов других конструкций.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

     Другим достоинством теплообменников «труба в трубе» возможность создания в них чистого противотока. Они пригодны также для теплообмена между средами, содержащими большое количество грязи и различных взвешенных частиц.