57 Вопрос

Теплообменные трубы и трубные решетки.

Основными конструктивными элементами трубного пучка КТТА являются теплообменные трубы и трубные решетки.

Теплообменные трубы стальных теплообменных аппаратов − это серийно выпускаемые промышленностью трубы из углеродистых, коррозионно-стойких сталей и латуни. Диаметр труб в КТТА зависит от материала и условий работы − вязкости и загрязненности теплоносителя. Диаметр теплообменных труб значительно влияет на скорость протекания теплоносителя в них, на коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве и на габариты аппарата в целом. При этом, чем меньше диаметр труб, тем большее их число можно разместить в кожухе КТТА данного диаметра. Однако трубы малого диаметра быстрее засоряются при работе с загрязненными теплоносителями, определенные сложности возникают при механической очистке и закреплении таких труб развальцовкой.

С увеличением длины труб и уменьшением диаметра аппарата его стоимость заметно снижается. Наиболее дешевыми являются теплообменные аппараты с длиной труб 5−7 м.

Если значения коэффициентов теплоотдачи а₁ и а₂ теплоносителей со стороны трубного и межтрубного пространств теплообменника существенно различаются, применяют оребренные трубы. Это позволяет значительно увеличить поверхность теплообмена со стороны межтрубного пространства, куда направляют теплоноситель с меньшим коэффициентом теплоотдачи.

В современных КТТА применяются оребренные трубы с продольными, винтовыми, поперечными и другими ребрами (рис. 12.8). Оребрение труб выполняют обкаткой на роликовых стендах или навивкой горячей ленты на специальном станке. Шаг оребрения труб строго регламентирован нормативными документами.

Сварные U-образные трубы должны иметь не более двух швов, которые располагают на расстоянии не менее диаметра трубы от начала изгиба.

Материал теплообменных труб определяется агрессивностью теплоносителей. Для неагрессивных сред применяются стальные бесшовные трубы, например, из сталей 10 и 20. Для агрессивных теплоносителей применяются бесшовные трубы из легированных сталей (например, Х8, 08Х13, 15Х5М, 08Х18Н10Т), меди, алюминия. Если того требуют условия работы, то в КТТА применяются литые трубы из чугуна, ферросилида, а также трубы, изго­товленные из керамики, пластмасс, графита и тому подобных материалов.

Трубная решетка представляет собой, как правило, плоский диск со сквозными отверстиями для теплообменных труб и служит вместе с трубами для разделения внутренней полости кожуха теплообменного аппарата на трубное и межтрубное пространство.

По форме трубные решетки бывают: круглые, кольцевые и прямоугольные. В химической промышленности наибольшее распространение получили плоские круглые решетки.

Трубные решетки КТТА изготовляют из цельных стальных листов, а в ряде случаев − литыми из цельных или составных поковок. Для аппаратов большого диаметра используют сварные трубные решетки. В этом случае сплошные стыковые сварные швы не должны пересекаться, а расстояние от кромки сварного шва до отверстий должно быть не менее 0,8 диаметра отверстия. Как правило, материал трубных решеток должен быть более прочным и жестким, чем материал труб. Трубные решетки изготавливают из сталей марок: 16ГС, 12Х13, 15Х5М, 12Х18Н10Т, двухслойных сталей и латуни ЛЖМц 59-1-1.

Разметка трубных решеток для крепления U-образных труб отличается тем, что ее средняя часть остается незаполненной трубами.

Шаг отверстий t для труб в одноименной решетке выбирается с учетом достаточной прочности участка шириной m = t − d_T. Для стальных кожухотрубчатых аппаратов шаг t принимается в зависимости от наружного диаметра труб d_T:

Для труб диаметром 17  d_T 60 мм шаг расположения отверстий в трубной решетке можно определить также по формуле

 мм. (12.2)

При разметке трубной решетки стараются занять всю площадь круга, располагая трубы по возможности ближе к стенке кожуха теплообменника.

Число труб, размещенных на решетке, можно определить, зная площадь решетки, приходящуюся на одну трубу (0,866t²):

, (12.3)

где К₁ = 0,7 … 0,85 − коэффициент заполнения; D − диаметр круга, на котором размещаются отверстия, м.

Введением коэффициента заполнения К₁ учитывают меньшую плотность размещения труб по краю решетки и то, что часть площади трубной решетки обычно занимают перегородки, устанавливаемые для образования ходов по трубам. Принимают также во внимание, что на входе в межтрубное пространство установлен отбойник и для его размещения приходится ряд труб не ставить. Для многоходовых теплообменников небольшого диаметра принимают меньшее значение коэффициента К₁ (в указанном интервале).

Отверстия в трубных решетках могут выполняться гладкими (рис. 12.11, а) или с проточками (рис. 12.11, б). Диаметры отверстий под трубы с наружным диаметром 20 и 25 мм установлены соответственно 20,4 и 25,4 мм. Размеры проточек указаны на рис. 12.11, б.

Схемы соединения трубных решеток с кожухом КТТА типа ТН и ТК представлены на рис. 12.12. Соединение безфланцевой трубной решетки с безфланцевым кожухом, приведенное на рис. 12.12, д, применяется в КТТА с повышенными требованиями к герметичности.

В теплообменниках типа ТП, ТПК и ТУ трубные решетки 1 с трубами 7, как правило, зажимаются в уплотнительных поверхностях (впадинах) фланцев 2, 5 кожуха 3 и распределительной камеры при помощи болтового соединения 6 (рис. 12.13).

В трубном пучке КТТА концы теплообменных труб зачищаются и закрепляются в трубных решетках. Крепление труб в трубных решетках должно обеспечивать прочность, герметичность и легкую замену труб.

Применяют несколько способов крепления труб в отверстиях трубных решеток стальных КТТА: развальцовку в гладких отверстиях (рис. 12.14, а) или в отверстиях с кольцевыми проточками (рис. 12.14, б); развальцовку труб с последующей их отбортовкой или сваркой (рис. 12.14, в); сварку труб с трубной решеткой по внешней или внутренней кромкам (рис. 12.14, г). Пайку и заливку металлом концов труб в решетках (рис. 12.14, в) применяют при изготовлении теплообменников из меди и ее сплавов, а склеивание − при изготовлении аппаратов из полимерных материалов (рис. 12.14, д).

Способ крепления труб в трубных решетках зависит от расчетных параметров (в частности от Р_раб среды) и вида среды в теплообменнике. Наиболее распространенный способ крепления труб в решетке − развальцовка. Трубы вставляют в отверстия решетки с некоторым зазором, а затем обкатывают изнутри специальным инструментом, снабженным роликами (вальцовкой). При этом в стенках трубы создаются остаточные пластические деформации, а в трубной решетке − упругие деформации, благодаря чему материал решетки после развальцовки плотно сжимает концы труб. Однако при этом материал труб подвергается наклепу (металл упрочняется с частичной потерей пластичности), что может привести к растрескиванию труб. С уменьшением начального зазора между трубой и отверстием в решетке наклеп уменьшается, поэтому обычно принимают зазор 0,25 мм. Кроме этого для обеспечения качественной развальцовки и возможности замены труб необходимо, чтобы твердость материала трубной решетки превышала твердость материала труб.

Развальцованное соединение должно быть прочным и герметичным. Прочность соединения оценивают усилием вырывания трубы из гнезда, герметичность − максимальным давлением среды, при котором обеспечивается герметичное соединение. При развальцовке конец трубы должен выступать над трубной решеткой на расстояние, равное толщине трубы. Для повышения прочности и герметичности соединения иногда выполняют отбортовку выступающего над решеткой конца трубы (рис. 12.14, в).

Наиболее простой способ − развальцовку (в гладких отверстиях) − применяют при относительно небольших рабочих давлениях среды в аппарате (до 0,6 МПа). Прочность и герметичность вальцовочного соединения значительно возрастает при развальцовке в отверстиях с одной (при высоте трубной решетки S_T < 26 мм) или двумя (при S_T  26 мм) канавками глубиной около 0,5 мм. Такие соединения применяются при рабочем давлении среды в аппарате 0,6 ... 4,0 МПа.

Трубы развальцовывают обычно на глубину l,5∙d_T или, если толщина решетки меньше l,5∙d_T , на полную толщину решетки. При этом со стороны межтрубного пространства оставляют неразвальцованным поясок шириной 3 мм, чтобы не подрезать трубу кромкой решетки при развальцовке, либо на этой кромке снимают фаску.В толстых решетках трубу развальцовывают двумя поясками: один шириной l,5∙d_T, со стороны распределительной камеры, другой шириной 0,75∙d_T со стороны межтрубного пространства. Это позволяет исключить проникновение среды в щель между трубой и решеткой и их коррозию.

При рабочем давлении в аппарате более 4,0 МПа трубы приваривают к решетке. Этот способ применяют и при работе теплообменника с взрывоопасными или высокотоксичными средами, когда должна быть обеспечена высокая герметичность соединений.Крепление труб сваркой с развальцовкой применяют без ограничений давления и температуры теплоносителей. В этом случае сначала выполняют сварку, а затем развальцовку трубы.