13.1. Поверхностные теплообменники

Такие теплообменники широко распространены в промышленно­сти, особенно теплообменники трубчатого типа.

13.1.1. Трубчатые теплообменники

Кожухотрубчатые теплообменники

Кожухотрубчатые теплообменники — наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. По ГОСТ 9929 стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: ТН — с неподвижными трубными решетками; ТК — с темпера­турным компенсатором на кожухе; ТП — с плавающей головкой; ТУ — с U-образными трубами; ТПК — с плавающей головкой и компенсатором на ней (рис. 2.19).

По способу передачи тепла различают теплообменные аппараты поверхностные и смешения. В поверхностных теплообменных аппаратах тепло передается через твердую поверхность, разделяющую теплообменивающиеся среды. В теплообменных аппаратах смешения тепло от одного потока к другому передается при их контактировании.

На нефте- и газоперерабатывающих заводах в основном применяют поверхностные теплообменные аппараты, так как смешение теплообменивающихся потоков, как правило, должно быть исключено. Однако в тех случаях, когда горячий и холодный потоки имеют одинаковые составы или допустимо их смешение, применяют аппараты второго типа. В этой связи можно упомянуть такие устройства, как барометрический конденсатор, тарелки циркуляционного орошения и горячей струи в ректификационных колоннах, конденсаторы для охлаждения воздуха, достигаемого впрыском воды.

Поверхностные теплообменные аппараты можно разделить на следующие типы по конструктивным признакам: а) кожухотрубчатые теплообменники: жесткого типа; с линзовым компенсатором на корпусе; с плавающей головкой; с U-образными трубками; б) теплообменники типа «труба в трубе»; в) подогреватели с паровым пространством (рибойлеры); г) погружные конденсаторы-холодильники; д) конденсаторы воздушного охлаждения.

2. Кожухотрубчатые теплообменники

Теплообменники жесткого типа (рис. Х-1) имеют цилиндрический корпус /, в котором установлен трубный пучок 2, закрепленный в трубных решетках 4, в которых трубки закреплены развальцовкой или сваркой. Корпус аппарата закрыт крышками 5 и 6. Внутри корпуса установлены перегородки 3, создающие определенное направление движения потока и увеличивающие его скорость в корпусе.

Одна из теплообменивающихся сред движется по трубкам, а другая — внутри корпуса между трубками. В трубки пускают более загрязненную среду, а также среду с меньшим коэффициентом теплоотдачи, так как очистка наружной поверхности трубок затруднена, а скорости движения среды в межтрубном пространстве меньше, чем в трубках.

Поскольку температуры теплообменивающихся сред различаются, корпус и трубки получают различные удлинения, что при­водит к возникновению дополнительных напряжений в элементах теплообменника. При большой разности температур это может привести к деформации и даже разрушению трубок и корпуса, нарушению плотности развальцовки и т. п. Поэтому теплообменники жесткого типа применяют при, разности температур теплообменивающихся сред не более 50 °С.

Теплообменники с линзовым компенсатором на корпусе (рис. Х-2) применяют для уменьшения температурных напряжений в аппаратах жесткого типа. Такие теплообменники имеют на корпусе линзовый компенсатор, за счет деформации которого снижаются температурные усилия в корпусе и трубках. Это снижение тем больше, чем больше число линз у компенсатора.

Теплообменники с плавающей головкой (рис. Х-3) нашли наиболее широкое применение. В этих аппаратах один конец трубного пучка закреплен в трубной решетке, связанной с корпусом (на рис. слева), а второй может свободно перемещаться относительно корпуса при температурных изменениях длины трубок. Это устраняет температурные напряжения в конструкции и позволяет работать с большими разностями температур теплообменивающихся сред. Кроме того, возможна чистка трубного пучка и корпуса аппарата, облегчается замена труб пучка. Однако конструк­ция теплообменников с плавающей головкой более сложна, а плавающая головка недоступна для осмотра при работе аппарата.

Перегородки, устанавливаемые в распределительной камере и в плавающей головке, увеличивают число ходов в трубном пучке. Это позволяет увеличить скорость движения потока и коэффициент теплоотдачи во внутренней стенке труб.

Межтрубное пространство аппаратов с плавающей головкой обычно выполняется одноходовым. При двух ходах в корпусе устанавливают продольную перегородку. Однако в этом случае требуется специальное уплотнение между перегородкой и кор­пусом. Поверхность теплообмена кожухотрубчатых теплообменников может составлять 1200 м² при длине труб от 3 до 9 м; условное давление достигает 6,4 МПа.

Рис. Х-1. Кожухотрубчатый теплообменник жесткого типа:

/ — кожух (корпус); 2 — трубка; 3 — поперечная перегородка; 4 — трубная решетка; 5 — крышка; 6 — крышка (распределительная коробка); 7,8 — продольные перегородки соответственно в распределительной коробке и в корпусе.

Рис. Х-2. Кожухотрубчатый теплообменник с линзовым компенсатором на корпусе.

Теплообменники с U -образными трубками (рис. Х-4) имеют трубный пучок, трубки которого изогнуты в виде латинской буквы U, и оба конца закреплены в трубной решетке, что обеспечивает свободное удлинение трубок независимо от корпуса. Такие теплообменники применяют при повышенных давлениях. Среда, направляемая в трубки, должна быть достаточно чистой, так как очистка внутренней поверхности труб затруднена.

В зависимости от числа продольных перегородок в корпусеи распределительных коробках теплообменные кожухотрубчатые аппараты делятся на одно-, двух- и многоходовые как в трубном, так и в межтрубном пространстве. Так, на рис. Х-1 теплообменник является двухходовым как по трубному, так и по межтрубному пространству, что достигается установкой продольных перегородок от 3 до 12 м, а наружный диаметр от 48 до 219 мм при давлении 6,4 МПа. Теплообменники разборной конструкции компонуются из труб длиной от 3 до 9 м . диаметром 89 мм для наружных труб и 48 мм для внутренних. Поверхность теплообмена предусмотрена от 3 до 66 м². Аппараты изготовляют на условное давление до 4 МПа.

Рис. X-3. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой. Рис. Х-4. Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными трубками.

городок 7 и 8. Поперечные перегородки 3 увеличивают скорость движения в межтрубном пространстве и создают более благоприят­ные условия обтекания трубного пучка, что повышает эффективность работы теплообменных аппаратов.