Тема 7. Конструювання теплообмінних апаратів. Класифікація і конструкції теплообмінників. Напруження в трубах і корпусі кожухотрубчастого апарату жорсткої конструкції і умови його застосування

Температурні компенсатори і трубчасті решітки. Конструювання лінзового компенсатора і трубчастих решіток.

Процеси теплообміну відіграють важливу роль у сучасній техніці. Вони використовуються там, де існує потреба нагріву або охолодження середовища для його обробки або утилізації тепла.

Теплообмінником називають апарат для передачі тепла від одних тіл до інших. В теплообмінних апаратах можуть проходити різні теплові процеси: зміни температури, випаровування, кипіння, конденсації, плавлення, затвердіння та більш складні комбіновані процеси.

Теплообмінники класифікують за різними ознаками – за призначенням, за компоновкою, за видом робочого середовища, способом передачі теплоти і т.д. Класифікація за способом передачі теплоти є найбільш поширеною і за нею теплообмінники діляться на:

-поверхневі, у яких теплоносії розділені поверхнею теплообміну різної конфігурації;

-регенеративні, у яких процес передачі теплоти від гарячого теплоносія до холодного здійснюється за допомогою акумуляції тепла насадкою;

-змішувальні, у яких теплообмін здійснюється при безпосередньому стиканні теплоносіїв.

При виборі типу та конструкції теплообмінника враховують наступні фактори:

-призначення апарату та процеси у ньому;

-питому теплопродуктивність апарату, тобто кількість теплоти, що передана в одиницю часу крізь одиницю поверхні теплообміну при заданому тепловому режимі;

-гідравлічний опір;

-хімічну агресивність теплоносіїв до конструкційних матеріалів;

-ступінь забруднення теплоносіїв та характер відкладень;

-термодинамічні параметри – температуру, тиск, об’єми та агрегатний стан теплоносіїв;

-фізико-хімічні властивості;

-температурні напруження при різному тепловому подовженні частин теплообмінника;

-конструктивну досконалість;

-собівартість продукції.

За конструкцією найбільш розповсюдженими є трубчасті теплообмінники і серед них самим старим типом є змійовикові апарати (рис. 20). Вони являють собою посудину, у який розміщена труба, що зігнута в циліндричну або плоску спіраль. Один теплоносій циркулює у посудині, а другий проходить через трубу змійовика. Ці апарати достатньо прості за конструкцією, дешеві і доступні для внутрішнього огляду, однак громіздкі і володіють низьким коефіцієнтом теплопередачі.

Зрошувальні теплообмінники збирають з прямих труб та з’єднувальних калачів у вигляді плоских змійовиків (рис. 21). Холодна вода на зрошення подається з жолобу на верхню трубу, стікає з неї на нижні труби та потрапляє у піддон. У наслідок часткового випаровування води її витрата є нижчою, ніж в інших холодильниках. Недоліком є громіздкість та висока чутливість до коливань витрати води на охолодження. У разі зменшення витрати води нижні труби будуть сухими, а при збільшенні вона буде розбризкуватися та зливатися до піддону поза нижніх труб. Перевагою є простота виконання, доступність огляду і зовнішнього очищення труб, дешевизна, низька витрата води на охолодження.

Теплообмінники “труба в трубі” (рис. 22) використовують при невеликих витратах теплоносіїв та великому їх тиску.

Невеликий поперечний переріз внутрішньої труби та кільцевого зазору дозволяє досягти високої швидкості теплоносіїв і коефіцієнтів тепловіддачі. Недоліком їх є громіздкість.

Кожухотрубчасті теплообмінники є найбільш поширеними. Вони складаються з пучків труб, що закріплені у трубних решітках, кожухів, кришок, патрубків, опор і, у залежності від призначення, з інших вузлів. Поверхня теплопередачі апарату може складати від кількох сотень квадратних сантиметрів до кількох тисяч квадратних метрів. Наприклад, конденсатор сучасної парової турбіни потужністю 300 МВт має більш, ніж 20000 труб із загальною площею теплообміну біля 15400 м².

Корпус (кожух) такого теплообмінника являє собою циліндр, що зварений з одного або декількох листів, звичайно сталевих. Товщину стінки корпусу визначає максимальний тиск робочого середовища та діаметр апарату, але за конструктивними міркуваннями її виконують не тонше, ніж 4 мм. До кромок кожуху приварені фланці для з^/єднання з кришками. Трубчатку виготовляють з прямих або зігнутих ( U – подібних або W –подібних) труб із зовнішнім діаметром від 12 до 57 мм, звичайно безшовних. Трубні решітки (дошки) призначені для кріплення в них пучка труб за допомогою розвальцювання, зварювання, пайки або сальникових кріплень.

Трубні решітки або приварюють до кожуху (рис. 23 а, в), або закріплюють болтами між фланцями кожуху та кришки (рис. 23 б, г), або з^/єднають болтами тільки з фланцями вільної камери (рис 23 е).

Матеріалом трубних решіток є звичайно листова сталь, товщина якої залежить від розрахункового тиску, але не менш, ніж 20 мм. Кришки можуть бути плоскі, конічні, сферичні або еліптичні. Кожухотрубчасті апарати виконують жорсткої конструкції (рис. 23 а), нежорсткої (рис. 23 г, е) та напівжорсткої (рис. 23 б, в); одно – та багатоходовими, прямо -, проти – і перехрестнопоточними; горизонтальними, вертикальними та нахиленими.

У кожухотрубчастих теплообмінниках прохідний переріз простору між трубами у 2  3 рази більший, ніж прохідний переріз усередині труб. Тому за однакових витрат теплоносіїв з однаковим агрегатним станом коефіцієнти тепловіддачі на поверхні простору між трубами є малими, що знижує загальний коефіцієнт теплопередачі в апараті. Установка перегородок у між трубному просторі сприяє збільшенню швидкості теплоносія та підвищенню ефективності теплообміну (рис. 23 б). Застосовують також теплообмінники з труб, на поверхні яких виконані ребра, що суттєво підвищує ефективність теплової роботи апарату.

У паро – рідинних теплообмінниках пара конденсується звичайно у просторі між трубами, а рідина проходить по трубах. Оскільки різниця температур стінок корпусу та труб може досягати значних величин, то для компенсації різниці теплових подовжень корпусу і труб встановлюють лінзові, сальникові або сильфонні компенсатори (рис. 23 в). Напруження в матеріалі, що обумовлені тепловим розширенням, усувають також виготовленням теплообмінників з гнутих U – подібних або W – подібних труб. Недоліком апаратів з гнутими трубами є труднощі виготовлення, складність заміни та незручність очищення поверхні гнутих труб.

Компенсаційні пристрої (мембранні, сильфонні) є складними у виготовленні, а лінзові та сальникові компенсатори є недостатньо надійними у експлуатації.

Найбільш досконалою є конструкція апарату з жорстким кріпленням однієї трубної решітки та вільним пересуванням другої решітки разом з внутрішньою кришкою трубної системи (рис. 23е). Деяке подовження апарату унаслідок збільшення діаметру корпусу та необхідності виготовлення додаткового днища виправдовується простотою та надійністю в експлуатації. Ці апарати отримали назву теплообмінників з плаваючою головкою або камерою.

Розглянемо методику оцінки можливості застосування у процесі теплообмінного апарату жорсткої конструкції, як найбільш простого з розглянутих. В теплообмінниках з жорстким з^/єднанням між корпусом та трубними решітками виникають додаткові напруження у трубах і корпусі унаслідок різного ступеня їх подовження при нагріванні або охолодженні. Ці напруження, що є наслідком різниці температур та властивостей конструкційного матеріалу труб і корпусу, можуть призвести до порушення щільності трубчатки і деформації труб.

Для наближеного визначення напружень, що виникають у трубчатці жорсткої конструкції, приймають наступні припущення:

1.Встановлені труби є прямими і можуть піддаватися лише дії сил розтягу або стиску;

2.Велика жорсткість трубних решіток не дозволяє трубам деформуватися в зоні їх кріплення;

3.Деформація решіток здійснюється лише на периферії, за межами розташування труб.

На рис. 24 наведена схема руху теплоносіїв та елементи кріплення трубної решітки у теплообміннику жорсткої конструкції; на рис. 25 – схема дії сил у трубчатці.