Кожухотрубный теплообменник способы компенсации температурных напряжений

Кожухотрубчатый теплообменник с компенсацией температурных удлинений.

Аппараты, предназначенные для проведения тепловых процессов, называются теплообменными. Данный вид теплообменника относится к рекуперативным аппаратам – в них теплоносители разделены стенкой и тепло передается от одного теплоносителя к другому через эту разделяющую их стенку.

В вертикальном кожухотрубчатом теплообменнике с неподвижными трубными решетками, в многоходовых теплообменниках по трубному и межтрубному пространству трубы жестко закреплены в трубной решетке. Вследствие разности температур между кожухом и трубами в них возникают температурные напряжения, которые могут привести к разрушению аппарата. Если эта разность превышает указанные пределы, применяют теплообменники с различными компенсаторами температурных удлинений.

Один поток теплоносителя I направляется через патрубок в камеру, проходит по трубам и выходит через патрубок в другой камере. Другой поток теплоносителя II вводится через патрубок в межтрубное пространство теплообменника, омывает снаружи трубы и выводится через противоположный патрубок. Тепло от одного теплоносителя другому передается через стенки труб. а-теплообменник с плавающей головкой открытого типа, б-закрытого. В этих теплообменниках одна из трубных решеток не соединена с кожухом и может свободно перемещаться вдоль оси при температурных удлинениях. в – теплообменник с линзовым компенсатором на корпусе. Температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением этого компенсатора.

г – теплообменник с сальниковым компенсатором. В нем одна из трубных решеток при температурныш расширениях может свободно перемещаться в доль оси.

д – теплообменник с U-образными трубами. В нем оба конца труб закреплены в одной трубной решетке. Каждая труба может свободно удлиняться независимо от других; при этом температурные напряжения не возникают.

е – теплообменник с двойными трубами.

Преимущества: они допускают создание больших поверхностей теплообмена в одном аппарате, просты в изготовлении и надежны в работе

Источник

КОЖУХОТРУБЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ С КОМПЕНСАЦИЕЙ НЕОДНОРОДНЫХ ТЕМПЕРАТУРНЫХ УДЛИНЕНИЙ ТРУБ И КОЖУХА

Рисунок 1 — Кожухотрубные теплообменники с компенсирующими устройствами:

а — теплообменник с линзовым компенсатором (полужесткая конструкция); б — аппарат с плавающей головкой; в — аппарат с U-образными трубами; 1 — кожухи; 2 — трубы; 3 — линзо­вый компенсатор; 4 — плавающая головка; I и II – теплоносители.

Рисунок 2 — Многоходовые теплообменники по трубному пространству

а — двухходовый теплообменник; б — четырехходовый теплообменник;

1 — крышки; 2 — пере­городки в крышках; I и II — теплоносители

МНОГОХОДОВЫЙ (ПО МЕЖТРУБНОМУ ПРОСТРАНСТВУ) КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Рисунок 3 — Схема многоходового (по межтрубному пространству) кожухотрубного теплообменника:

1 — кожух; 2 — перегородки; I и II – теплоносители

Среду обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло – в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании и охлаждении.

Кроме того, при указанных направлениях движения сред достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата. В противном случае, например, при подаче более холодной (нагреваемой) среды сверху теплообменника, более нагретая часть жидкости, как более легкая, может скапливаться в верхней части аппарата, образуя «застойные» зоны.

Трубы в решетках обычно равномерно размещают по, периметрам правильных шестиугольников, т.е. по вершинам равносторонних треугольников (рисунок 2а), реже применяют размещение труб по концентрическим окружностям (рисунок 2б). В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной поверхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников (рисунок 2в). Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель обеспечить возможно более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается при размещении трубок по периметрам правильных шестиугольников.

а) по периметрам правильных шестиугольников; б) по концентрическим окружностям; в) по периметрам прямоугольников (коридорное расположение).

Рисунок 2 — Способы размещения труб в теплообменниках.

Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки, как в трубном, так и в межтрубном пространствах.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа . В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции.

Рисунок 3 — Типовые конструкции теплообменников.

Аппараты жесткой конструкции (рисунок 3а) используют при сравнительно небольших разностях температур корпуса и пучка труб, эти теплообменники отличаются простотой устройства.

В кожухотрубчатых теплообменниках нежесткой конструкции предусматривается возможность некоторого независимого перемещения теплообменных труб и корпуса для устранения дополнительных напряжений и температурных удлинений. Нежесткость конструкции обеспечивается сальниковым уплотнением на патрубке (рисунок 3б) или корпусе (рисунок 3в), пучком U–образных труб (рисунок 3г), подвижной трубной решетки закрытого и открытого типа (рисунок 3д, е).

В аппаратах полужесткой конструкции температурные деформации компенсируются осевым сжатием или расширением специальных компенсаторов, установленных на корпусе (рисунок 3ж). Полужесткая конструкция надежно обеспечивает компенсацию температурных деформаций, если они не превышают 10 — 15 мм, а условное давление в межтрубном пространстве составляет не более 2,5 кгс/см 2 .

Источник

Теплообменники

При разностях температур между корпусом и трубами выше 25 – 30°С в кожухотрубных теплообменниках возникают значительные температурные напряжения, которые могут привести к выходу теплообменника из строя. Поэтому при больших разностях температур применяют конструкции теплообменников, в которых предусмотрена компенсация температурных удлинений.

Теплообменник с компенсацией температурных удлинений

Простейшим устройством для компенсации температурных удлинений является линзовый компенсатор (рисунок 1,а), который устанавливается в корпусе теплообменника и компенсирует температурные деформации осевым сжатием или расширением.

Теплообменники с U-образными греющими трубами (рисунок 1,б) имеют одну трубчатую решетку, в которой закреплены оба конца U-образных труб. Каждая труба при нагревании может удлиняться независимо от других, тем самым компенсируя температурные напряжения.

Аналогичную конструкцию имеет теплообменник с двумя ходами (или четным числом ходов) с плавающей головкой (рисунок 1,в); последняя вынимается из кожуха теплообменника вместе с трубками. Этот теплообменник применим для засоряющих жидкостей и отличается свободой температурных деформаций трубок и корпуса, при которой не нарушается плотность соединений.

Недостатками этих теплообменников являются сложность достижения высоких скоростей теплоносителей, за исключением многоходовых теплообменников; трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта.

а) – с линзовым компенсатором (1 – корпус; 2 – греющая труба; 3 – линзовый компенсатор);
б) – с U-образными греющими трубами (1 – крышка; 2 – корпус; 3 – U-образные греющие трубы);
в) – с плавающей головкой.
Рисунок 1 – Устройство теплообменников с компенсацией температурных напряжений

Спиральный теплообменник

Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, образованных металлическими листами (рисунок 2). Внутренние концы спиралей соединены перегородкой. С торцов каналы закрыты крышками и уплотнены прокладками. У наружных концов каналов имеются патрубки для входа и выхода теплоносителей, два других патрубка приварены к плоским боковым крышкам.

Такие теплообменники используются для теплообмена между жидкостями и газами. Эти теплообменники не забиваются твердыми частицами, взвешенными в теплоносителях, поэтому они применяются для теплообмена между жидкостями со взвешенными частицами, например для охлаждения бражки на спиртоперегонных заводах.

1 – крышка; 2 – перегородка; 3, 4 – металлические листы
Рисунок 2 – Спиральный теплообменник

Спиральные теплообменники компактны, позволяют проводить процесс теплопередачи при высоких скоростях теплоносителей с высокими коэффициентами теплопередачи; гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников ниже сопротивления многоходовых аппаратов при тех же скоростях теплоносителей.

Недостатком спиральных теплообменников является сложность изготовления, ремонта и чистки.

Пластинчатый теплообменник

Пластинчатые теплообменники (рисунок 3) монтируются на раме, состоящей из верхнего и нижнего несущих брусов, которые соединяют стойку с неподвижной плитой. По направляющим стяжным шпилькам перемещается подвижная плита. Между подвижной и неподвижной плитами располагается пакет стальных штампованных гофрированных пластин, в которых имеются каналы для прохода теплоносителей. Уплотнение пластин достигается с помощью заглубленных прокладок, которые могут выдерживать высокие рабочие давления. Теплоносители к каналам, образованным пластинами, проходят по чередующимся каналам сквозь разделенные прокладками отверстия.

1 – верхний несущий брус; 2 – неподвижная плита; 3 – пластина; 4 – подвижная плита; 5 – нижний несущий брус; 6 – направляющая стяжная шпилька; 7 – стойка.
Рисунок 3 – Пластинчатый теплообменник

Принцип действия пластинчатого теплообменника показан на рисунке 4. Как видно из этой схемы, теплообмен происходит в противотоке, причем каждый теплоноситель движется вдоль одной стороны пластины.

Рисунок 4 – Принцип действия пластинчатого теплообменника

Разновидностью описанного пластинчатого теплообменника является коробчатый конденсатор, который представляет собой пластинчатый теплообменник, помещенный в коробчатый паросборник (рисунок 5). Пакет пластин лежит на боку, а верхние кромки чередующихся пластин не имеют прокладок, чтобы обеспечить вход пара, который конденсируется охладителем, протекающим по «слоистой» системе закрытых каналов.

Пластинчатые теплообменники используются в качестве нагревателей, холодильников, а также комбинированных теплообменников для пастеризации, например молока, и стерилизации (мелассы). Эти теплообменники можно собирать в виде многоступенчатых агрегатов.

Пластинчатые теплообменники компактны, обладают большой площадью поверхности теплопередачи, что достигается гофрированием пластин.

Высокая эффективность обусловлена высоким отношением площади поверхности теплопередачи к объему теплообменника за счет высоких скоростей теплоносителей, а также турбулизации потоков гофрированными поверхностями пластин и низкого термического сопротивления стенок пластин.

Эти теплообменники изготавливаются в виде модулей, из которых может быть собран теплообменник с площадью поверхности теплопередачи, необходимой для осуществления технологического процесса.

К недостаткам относятся сложность изготовления, возможность забивания поверхностей пластин взвешенными в жидкости твердыми частицами.

Теплообменник с ребристыми поверхностями теплообмена

Теплообменники с ребристыми поверхностями теплообмена позволяют увеличить площадь поверхности теплопередачи со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи.

Для оребрения поверхности используют стальные круглые или прямоугольные шайбы, которые приваривают в основном к трубам. В трубчатых теплообменниках применяют поперечные или продольные ребра.

Примером оребренного теплообменника служит калорифер, используемый для нагрева воздуха греющим насыщенным водяным паром. На рисунке 6 показана секция парового калорифера. Пар поступает в трубы, где конденсируется, отдавая теплоту воздуху, который омывает пластины калорифера. Коэффициент теплоотдачи со стороны насыщенного водяного пара к стенке трубы a₁ = 12000 Вт/м 2 ×град, а от стенки к воздуху a₂ = 12…50 Вт/м 2 ×град. Оребрение внешней поверхности труб значительно увеличивает количество переданной теплоты от пара к воздуху.

Теплообменный аппаратах с рубашками (автоклавах)

В теплообменных аппаратах с рубашками (автоклавах) передача теплоты от теплоносителя к стенкам аппарата происходит при омывании внешних стенок корпуса теплоносителем. На рисунке 7 представлен аппарат с рубашкой, которая приварена к стенкам аппарата.

1 – корпус; 2 – рубашка
Рисунок 7 – Аппарат с рубашкой

В пространстве между рубашкой и корпусом циркулирует теплоноситель, который обогревает среду, находящуюся в аппарате. Иногда вместо сплошной рубашки к корпусу аппарата приваривается змеевик. На рисунке 8 показаны варианты приваренных к корпусу аппарата змеевиков.

Рисунок 8 – Варианты приварных змеевиков

Регенеративный теплообменник

Регенеративные теплообменники состоят из двух секций, в одной из которых теплота передается от теплоносителя промежуточному материалу, в другой – от промежуточного материала технологическому газу. Примером регенеративной теплообменной установки является установка непрерывного действия с циркулирующим зернистым материалом (рисунок 9), который выполняет функцию переносчика теплоты от горячих топочных газов к холодным технологическим.

1, 2 – теплообменники; 3 – шлюзо­вой затвор; 4 – газодувка; 5 – пневмотранспортная линия; 6 – распределитель газа; 7 – сепаратор
Рисунок 9 – Установка с циркулирующим зернистым матери­алом

Установка состоит из двух теплообменников, каждый из которых представляет собой шахту с движущимся сверху в них сплошным потоком зернистого материала. В нижней части каждого теплообменника имеется газораспределительное устройство для равномерного распределения газового потока по сечению теплообменника. Выгрузка зернистого материала из теплообменника происходит непрерывно с помощью шлюзового затвора. Охлажденный зернистый материал из второго теплообменника поступает в пневмотранспортную линию, по которой воздухом подается в бункер – сепаратор, где частицы осаждаются и вновь поступают в первый теплообменник.

Источник