Технологическое оборудование ГАПС 5 5.2.2 Теплообменники с компенсацией температурных напряжений
Между двумя частями кожуха теплообменников типа К вваривают линзовый компенсатор с обтекателем, уменьшающим гидравлическое сопротивление межтрубного пространства. Одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы (рис. 5.5а,б) изготавливают обкаткой коротких цилиндрических обечаек. Компенсирующая способность с ростом числа элементов увеличивается, однако применять компенсаторы с числом линз более 4-х не рекомендуется, т.к. резко снижается сопротивление кожуха изгибу. В нижней части компенсаторов горизонтальных аппаратов имеются дренажные отверстия с заглушками для слива затекающего за обтекатель теплоносителя.
Кроме линзовых, в аппаратах типа К используют следующие компенсаторы, см. рис. 5.6в,г,д,е: сваренные из двух полулинз, полученных из листа штамповкой; из плоских колец, соединенных пластиной; сваренные из двух полусферических элементов; тороидальные, изготовленные из согнутой трубы с вырезанной внутренней поверхностью. Эти компенсаторы дешевле линзовых, но из-за наличия сварных швов не могут выдерживать больших напряжений.
К аппаратам, обеспечивающим частичную компенсацию температурных деформаций за счет гибких элементов относится также теплообменник с расширителем на кожухе (рис 5.7). Дополнительное преимущество этой конструкции - исключение застойных зон в межтрубном пространстве вблизи трубных решеток, которые возникают из-за расположения штуцеров ввода и вывода теплоносителя на некотором расстоянии от решеток. Расширитель играет роль компенсатора, а распределитель направляет поток теплоносителя к трубной решетке. Теплообменники с компенсаторами и расширителями дороже аппаратов типа Н, но допускают гораздо больший перепад температур стенок труб и кожуха. Область их применения ограничена давлением теплоносителей 2.5 МПа.
В кожухотрубчатых теплообменниках типа П (с плавающей головкой) температурные деформации кожуха и труб практически исключены, т.к. только одна трубная решетка приварена к корпусу, а другая имеет возможность свободного осевого перемещения, см. рис. 5.8. Подвижная трубная решетка вместе с присоединенной к ней крышкой образует "плавающую головку", которая перемещается внутри кожуха при нагревании и удлинении труб. Однако компенсация температурных деформаций в аппаратах типа П не является полной, т.к. различие температурных расширений труб может привести к короблению трубной решетки. Поэтому в многоходовых теплообменниках типа П с диаметром кожуха D > 1 м при значительном (>100о С) изменении температуры среды в трубном пучке устанавливают разрезные по диаметру плавающие головки. Недостаток этих аппаратов по сравнению с теплообменниками типа Н и К - больший зазор между кожухом и трубами (на ширину фланца плавающей головки), достоинство - возможность извлечения трубного пучка из кожуха и механической очистки внешней поверхности труб при их коридорном расположении. Крепление плавающей головки к решетке разрезным фланцем, который состоит из двух полуколец, стянутых ограничительным кольцом (рис. 5.9), позволяет легко извлекать трубный пучок из кожуха при минимальном зазоре.
Конструкция теплообменника типа ПК (с плавающей головкой и компенсатором) отличается от рассмотренной наличием на одной из крышек удлиненного штуцера, внутри которого размещен линзовый компенсатор, соединенный с плавающей головкой (рис. 5.10). Теплообменники этого типа выполняют одноходовыми с противоточным движением теплоносителей и используют при повышенных давлениях сред (5¸10 МПа). Компенсаторы отличаются от используемых в аппаратах типа К меньшими диаметрами, большим числом линз, меньшей толщиной стенки. Теплообменники типа ПК можно использовать при перепаде давлений не более 2.5 МПа, поэтому подача теплоносителей в трубное и межтрубное пространство осуществляется одновременно.
В кожухотрубчатых теплообменниках типа У (с U-образными трубами), см. рис. 5.11, обеспечивается свободное удлинение труб и полностью отсутствуют температурные напряжения. Еще одно преимущество этой конструкции - возможность периодического извлечения трубного пучка из кожуха для очистки. Теплообменники типа У являются двухходовыми по трубному пространству и одно- или двухходовыми по межтрубному. В последнем случае в межтрубном пространстве устанавливается продольная перегородка, извлекаемая из кожуха вместе с трубами. Разность температур стенок труб по ходам не должна превышать 100о С, в противном случае могут возникнуть опасные напряжения в трубной решетке. Поскольку механическая очистка внутренней поверхности U-образных труб практически невозможна, в трубное пространство этих аппаратов направляют среды, не образующие твердых отложений. Чистка внутренней поверхности труб осуществляется подачей водяного пара, горячих нефтепродуктов, химических реагентов, потока воды с абразивным материалом. Аппараты типа У не нашли широкого применения по причине относительно плохого заполнения кожуха трубами из-за ограничений на радиус их изгиба (³ 4× dн), а также сложности размещения труб и отсутствия возможности их замены (за исключением внешних).
5.2.3 Расчеты кожухотрубчатых теплообменников
К числу технологических расчетов кожухотрубчатых теплообменников относятся тепловой и гидравлический расчет. Методика теплового расчета достаточно подробно рассматривалась в курсах "Термодинамика" и "Процессы и аппараты химической технологии". Целью гидравлического расчета является определение гидравлических сопротивлений его трубного и межтрубного пространства, определение мощности насосов и газодувок, используемых для транспортировки теплоносителей через аппарат.
Без учета неизотермичности потока общее сопротивление трубного пространства (рис. 5.12)
Dрт = Dр1 + z×(Dр2 + Dртт + Dр3) + Dр4 + {Dр5},
межтрубного
Dрм = Dр6 + (l/lп)×Dртм + (l/lп - 1)×Dр7 + Dр8.
Здесь учтены следующие потери давления: Dр1, Dр4 - при входе и выходе потока из распределительной камеры; Dр2, Dр3 - при входе и выходе потока из труб; Dр6, Dр8 - при входе и выходе потока из межтрубного пространства; Dртт, Dртм - на трение в трубах и межтрубном пространстве; Dр5 - при повороте труб на 180о (в аппаратах типа У); Dр7 - на огибание потоком перегородки. В этих формулах z - число ходов теплоносителя по трубам, l - длина труб, lп - расстояние между перегородками.
Потери давления в местных сопротивлениях Dрi = zi×(r×wi2/2), i = 1,...,8, где r - плотность теплоносителя, wi - скорость потока в узком сечении рассматриваемого участка (ориентировочное значение условного прохода штуцера dш = 0.3×D 0.86), zi - коэффициент местного сопротивления (даются в справочниках). Потери на трение:
- Dртт = lт×(l/d)×(r×wт2/2), где wт - скорость потока в трубах, lт - коэффициент трения в трубах (64/Reт при Reт £ 2300 и 0.316/Reт0.25 при 2300< Reт <100000);
- Dртм = lм×(r×wм2/2), где wм - скорость потока в узком сечении межтрубного пространства, lм - коэффициент трения в межтрубном пространстве ((4+2.31×D/dн)/Reм0.28 для "шахматного" расположения труб и (5.4+1.054×D/dн)/Reм0.28 - для "коридорного").
Коэффициенты местных сопротивлений кожухотрубчатого теплообменника
Вход в распределительную камеру - 1
Поворот потока и вход в трубы - 1
Выход из труб и поворот потока - 1,5
Выход из распределительной камеры - 0,5
Поворот в U-образных трубах - 0,5
Вход в межтрубное пространство - 1,5
Огибание перегородок в межтрубном пространстве - 1,5
Выход из межтрубного пространства - 1,5
Мощность, затрачиваемая на преодоление сопротивления трубного или межтрубного пространства (Dp) N = V×Dp/h, где V - объемный расход теплоносителя, h - к.п.д. машины, создающей напор.