2. ТеплообмІнники, що ВиготОвлЯються з гладких труб

Кожухотрубчасті теплообмінники з гладких труб одержали найбільш широке розповсюдження у промисловості і складають до 70% всього теплообмінного обладнання, хоча в останній час спостерігається тенденція до їх часткового витіснення апаратами повітряного охолодження і пластинчато-ребристими теплообмінниками. Широке використання кожухотрубчастих теплообмінників обумовле­но налагодженим їх виробництвом машинобудівельними заводами, можливістю використання для різних середовищ в широкому діапазоні робочого тиску і температур, уніфікацією і стандартизацією, надій­ністю в роботі і великим виробничим досвідом їх експлуатації.

Кожухотрубчастий теплообмінник представляє собою апарат, зіб­раний з пучка гладких або оребрених труб, герметично закріплених у трубних дошках, а потім вмонтованих у кожух - корпус.

Стандартизовані кожухотрубчасті теплообмінники виготовляють машинобудівельними заводами поверхнею 1-1500 м², розраховані на робочий тиск від вакууму до 10 МПа і для широкого діапазону температур від мінус 70 до плюс 540°С. Вони виготовляються з вуглецевої, корозійностійкої, високолегованої і двошарової сталі, а також з корольових металів і їх сплавів.

В залежності від способу компенсації температурних подовжень корпуса і трубчатки теплообмінні апарати бувають:

- жорсткої конст­рукції типу ТН - з нерухомими трубними дошками (жорсткий ко­жух і нерухоме кріплення трубних дошок);

- напівжорсткої конст­рукції типу ТК - з температурним компенсатором на кожусі (напівжор­сткий кожух і нерухоме кріплення трубних дошок);

- нежорсткої конструкції типу ТП - з температурним компенсатором у вигляді пла­ваючої голівки (жорсткий кожух, нерухоме кріплення однієї до­шки і вільне пересування другої дошки), і типу ТУ - з U-образними теплообмінними трубами (жорстким кріпленням однієї дошки і вільним пересуванням U-образних труб).

Кожухотрубчасті теплообмінники і холодильники.

Корпуса апаратів виконують у вигляді циліндричних обичайок з листового матеріалу.

Горизонтальний теплообмінник напівжорсткої конструкції представлений на рис. 1.

Кожухотрубчасті теплообмінники вертикальні або горизонталь­ні жорсткої конструкції типу ТН або напівжорсткої конструкції з температурним компенсатором на корпусі типу ТК (див. рис. 1) використовують для нагрівання і (або) охолодження газів і рідин - теп­лоносіїв, які знаходяться під тиском 0,6-4,0 МПа, і не змінюють свого агрегатного стану. Такі теплообмінники бувають одноходовими по трубному і багатоходовими по міжтрубному простору, з нерухомими трубними дошками. Їх виготовляють діаметром кожуха від 400 до 1200 мм з гладких теплообмінних труб діаметром 20x2 або 25x2 мм і довжиною від 2 до 9 м з площею поверхні теплообміну від 17 до 960 м².

Компенсатори лінзові осьові, які встановлюються на корпусі апарату, призначені для компенсації температурних і механічних пересувань сосудів і апаратів. Компенсатори виготовляють з однієї, двох, трьох і чотирьох лінз, і зварюються з обичайками корпуса.

На рис. 2 показаний вид дволінзового компенсатору

Рис. 2 – Компенсатор з двох лінз

Кожухотрубчасті теплообмінники вертикальні або горизонтальні напівжорсткої конструкції, багатоходові по трубному і міжтрубному простору, з еліптичними (див. рис. 1) або плоскими кришками використовують для нагрівання або охолодження середовищ, які знаходяться під тиском 1—4 МПа.

Апарати виготовляють з внутрішнім діаметром корпуса 325-1200 мм і довжиною труб 1500-9000 мм, площа поверхні по зовнішньому діаметру труб складає від 6,5 до 937 м² .

Труби у кожухотрубчастих теплообмінниках розміщують у трубних дошках. Трубні дошки представляють собою диски, в яких просвердлені отвори під трубки. Отвори розташовуються по вершинам рівносторонніх трикутників - по шестикутникам або по концентричним колам, іноді по вершинам квадратів або у шаховому порядку з шагом, рівним 1,25-1,5 зовнішнього діаметра труб. Найбільш компактним є трубний пучок при шаховому розміщенні труб.

Рис. 3 - Розміщення труб у трубних дошках:

1 – по шестикутникам; 2 – по концентричним колам

Кріплення труб у трубній дошці повинно бути міцним, герметичним і забезпечувати легку заміну труб.

Використовуються декілька варіантів кріплення:

- розвальцювання труб у гладких отворах;

- розвальцювання труб з їх відбортовкою;

- розвальцювання з ущільнювальними кільцевими канавками;

- приварювання труб до трубної дошки (припайка або приклейка труб);

- сальникове з’єднання.

На рис. 4 показані способи кріплення труб у трубній дошці.

Рис. 4 – Способи кріплення труб у трубних дошках

а – розвальцювання; б – розвальцювання з відбортуванням; в – розвальцювання з канавками ущільнення; г – приварювання; д – сальникове з’єднання

Найбільше розповсюдження одержало розвальцювання труб у отворах трубної дошки.

Іноді для особливо відповідальних з’єднань використовують комбіновані способи з’єднання труб: наприклад, розвальцювання, а потім зварювання.

З врахуванням властивостей сере­довища використовують сталеві безшовні труби сталей марок 10 і 20, для агресивного середовища використовують труби з легованих сталей, алюмінію і його сплавів, титанових сплавів, латуні, міді і інших матеріалів.

У розподільній камері багатоходових теплообмінників вста­новлюють перегородки, які дозволяють організувати розподілення по­току теплоносія у трубах в залежності від числа ходів. Один хід охвачує певну кількість труб, по яким теплоносій рухається в одному напрямку від розподільної камери однієї труб­ної дошки до іншої розподільної камери. Після проходження одного ходу рідина (газ) повертають у порожнині протилежної кришки і повертаються у порожнину розподільної камери.

Для багатоходових теплообмінників трубна дошка виглядає таким чином (див. рис. 5):

1 – при двох ходах по трубам;

2 - при чотирьох ходах по трубам,

3 - при шести ходах по трубам.

1) 2) 3)

Рис. 5 – Вигляд трубної дошки для багатоходових теплообмінниках

Від чис­ла перегородок у розподільчій камері залежить кількість ходів теп­лоносія у трубному просторі. Теплообмінники вказаного типу виготовляють з числом ходів 2, 4 і 6. При виготовленні розподільної камери перегородки приварюють або відливають за одно ціле з кришками. У трубній дошці, що примикає, виконують направ­ляючі пази, в які входять перегородки разом з ущільнюючими прокладками. Трубні дошки у теплообмінниках жорсткої і напівжор­сткої конструкції з’єднують нерухомо з корпусом за допомогою зварювання або закріплюють у міжфланцевих з’єднаннях.

У міжтрубному просторі для організації поперечного обтікання пучка труб, а також для закріплення труб з метою запобігання їх змішування, прогину і вібрації, встановлюють односторонні або двосторонні попереч­ні перегородки сегментного типу або типу диск-кільце. Для підвищення жорсткості трубного пучка і дистанціювання поперечних перегородок встановлюють систему стяжних стрижнів, труб або розпірок.

Кожухотрубчасті теплообмінники нежорсткої конструкції (див. рис. 6) використовують у випадках необхідності компенсування великих температурних подовжень трубчатки при перепаді температур між теплоносіями більше 50°С. При цьому корпус і трубчатка мають ­можливість вільно рухатися одне відносно другого.

Для багатоходових теплообмінників використовують апарати з плаваючою голівкою (рис. 6) або з U-подібними трубами (рис. 7). В таких апаратах трубні дошки вхідної камери закріплюють і ущільнюють у фланцевому з’єднанні, що дозволяє при необхідності вилучати трубчатку для чищення або ремонту.

Теплообмінники горизонтальні з плаваючою голівкою призна­чені для роботи під тиском від 1,6 до 6,3 МПа. Їх виготовляють з внут­рішнім діаметром корпуса 325-1400 мм і довжиною труб 3000-9000 мм з числом ходів по трубному простору 2 або 4, і поверхнею теплообміну 10-1200 м².

Теплообмінники двоходові з внутрішнім діаметром корпуса 300-500 мм і довжиною труб 3000 або 6000 мм можуть бути виготовлені для роботи у вертикальному положенні. Горизон­тальні теплообмінники укладають на дві сідлові опори 7.

Зазвичай у трубний простір направляють теплоносій, що може утворювати відкладення, які періодично видаляються при чищенні. Теплоносій, який в процесі теплообміну охолоджується і його щільність збільшується, направляють зверху донизу, а теплоносій, який нагрівається, відповідно рекомендується направляти знизу догори.

Кожухотрубчасті двоходові теплообмінники з U-подібними трубами виготовляють з внутрішнім діаметром 400-1400 мм довжиною труб 3000, 6000 і 9000 мм, поверхня теплопередачі по зовнішньому діаметру труб складає від 26 до 1370 м². Апарат має одну трубну дошку, закріплену у фланцевому з’єднанні, що дозволяє періодично вилучати трубчатку з корпуса для огляду, чищення і ремонту. При очищенні і ремонті для полегшення вилучення трубчатки з міжтрубного простору у нижній частині трубчатки передбачені полозки. Основним недоліком теплообмінників з U-подібними трубами є трудність очищення внутрішньої поверх­ні труб, тому їх використовують у процесах теплообміну при використанні чистих теплоносіїв.

Для роботи при підвищених температурах і тиску в діапазоні температур 0~540°С і тиску 5-10 МПа використовують теплообмінні апарати з хвилястим (сильфонним) компенсатором (див. рис. 8).

Рис. 8 – Кожухотрубчастий теплообмінник нежорсткої конструкції

з хвилястим (сильфонним) компенсатором:

1 – розподільна камера; 2 – трубна решітка; 3 – корпус; 4 – трубчатка;

5 – плаваюча голівка; 6 – кришка задня; 7 сильфонний компенсатор; 8 опора

Температурні подовження трубчатки компенсують за допомогою хвилястого (сильфонного) компенсатора, поміщеного усередині корпуса і встановленого на трубопроводі, по якому з трубного простору відводиться теплоносій. Така конструкція вузла компенсації температурних подовжень є компактною, а головне розвантаже­ною від дії підвищеного тиску, оскільки на хвилястий компенсатор тиск діє з двох сторін: зовнішній тиск з боку теп­лоносія у міжтрубному просторі і внутрішній тиск з боку теплоносія, що проходить у трубному пучці.

В теплообміннику використовують багатохвильовий компенсатор, виготовлений з штампо­ваних напівлінз з тонколистового металу. Такі теплообмінники виготовляють з діаметром кожуха 800-1300 мм, довжиною труб 6000 і 9000 мм і площею поверхні теплообміну від 178 до 1088 м².

На трубчатці встановлені перегородки або опірні пластини, які надають жорсткість всієї конструкції, а також сприяють інтенсифікації теплообміну при поперечному набіганні потоку пари на поверхню пучка труб. У нижній частині трубчатки розташована роликова опірна платформа, яка полегшує витягування і встановлення трубчатки при проведення ремонтних робіт.

Теплообмінники-випарники використовують у холодильних установках для випарювання низькокиплячих хладоагентів при охолодженні нагрітого робочого середовища до низьких температур, а також у ректифікаційних і десорбційних установках як парогенеруюче обладнання для обігрівання нижньої частини колони потоком пари киплячого компонента. Такі апарати у газовій та нафтопереробній промисловості називають ребойлерами.

У хімічній промисловості теплообмінники-випарники використовують в якості котлів-утилізаторів тепла нагрітих газів з метою одержання насиченої водяної пари тиском 0,3 - 1,3 MПa.

У газорозподільних установках широко використовують горизонтальні випарники з подачею гарячого теплоносія у трубний простір, випарюванням холодного теплоносія у міжтрубному просторі і організацією парового простору для сепарації крапель киплячої рідини.

У випарниках з паровим простором температурні подовження трубчатки компенсують використанням U-подібних трубок або використанням трубчатки з плаваючою голівкою (див. рис. 9).

У міжтрубному просторі підтримується постійний рівень киплячої рідини над трубним пучком за допомогою переливної перегородки, що в окремих випадках дозволяє проводити випаровування індивідуальних компонентів рідини при її русі впродовж трубчатки і безперервному відведенні випареної рідини.

Стандартом (ГОСТ 14248 79) регламентовано виготовлення апа­ратів двох різновидів:

- з конічним (виконання I) або еліптичним (виконання II) днищем і компенсацією температурних подовжень використанням U-подібних трубок (рис. 9);

- з конічним (виконання I) або еліптичним (виконання II) днищем і компенсацією температурних подовжень використанням плаваючої голівки (рис. 10).

При високих теплових навантаженнях в апаратах з еліптичним днищем встановлюють два або три трубних пучка, які можуть бути виготовлені з нержавіючої сталі, що подовжує строк експлуатації апарату.

Випарники с U-подібними трубами виготовляють з діа­метром корпуса 800-1600 мм при довжині труб 6000 мм у одному трубному пучці з площею поверхні теплообміну 51-224 м². При використанні двох або трьох трубних пучків діаметр корпуса складає 2400-2800 мм з площею поверхні теплообміну 240-448 м².

Випарники з плаваючою голівкою виготовляють з діа­метром корпуса 800- 1600 мм при одному трубному пучці з площею поверхні теплообміну 38-170 м², при використанні двох або трьох трубних пучків діаметр корпуса складає 2400-2800 мм, загальна площа поверхні теплообміну складає 192-340 м².

В якості гарячого теплоносія, який подається у трубній про­стір, використовують насичену водяну пару, нагріти нафтопро­дукти або гарячі гази в залежності від температурного режиму.

Теплообмінники типу "труба в трубі". Для нагрівання, охолодже­ння та конденсації газів під високим тиском (вище 10 МПа) широке використання одержали теплообмінники типу "'труба в трубі". Цей теплообмінник - одна з небагатьох вдалих конструкцій, що працює в області високого тиску.

На рис. 11 показана конструктивна схема багатосекційного теп­лообмінника типу "труба в трубі".

Рис. 11 - Схема багатосекційного теп­лообмінника типу "труба в трубі".

У теплообмінниках типу «труба в трубі» товстостінні труби малого діаметру, розраховані на використання під високим тиском, поміщають співвісно із зазором по центру труб 2 більшого діаметру, виконуючих задачі корпуса теплообмінного елемента. Труби малого діаметра довжиною від 6 до 24 м, по яким рухається газ високого тиску, з’єднують у довгі багаторядні секції за допомогою змін­них калачів 3. Секції монтують на опорній рамі 5, при цьому число встановлених ланок може досягати 20. Труби більшого діамет­ру з’єднують між собою за допомогою фланцевих з‘єднань - у кільцевому просторі між трубою більшого і меншого діамет­ра, які утворюють міжтрубний простір, рухається теплоносій - вода (при охолодженні газу) або водяна пара (при нагріванні газу). Завдяки малому поперечному перетину кільцевого простору між тру­бами, в таких теплообмінниках досягаються високі швидкості течії середовища і високі коефіцієнти тепловіддачі для обох теплоносіїв. Труби більшого і малого діаметра з’єднують між собою зварюванням (рис. 11 б) або за допомогою сальникових ущільнень (рис 11 в).

Теплообмінник з сальниковим ущільненням дозволяє компен­сувати температурні подовження труб у випадку, коли середня різниця температур між теплоносіями перевищує 70°С. При високих теп­лових навантаженнях теплообмінник монтують з декількох паралельно встановлених секцій, які приєднані до колекторів 6 для підведення і відведення теплоносіїв.

Гарячий теплоносій (зазвичай під тиском) рухається у трубному просторі і віддає тепло через стінку холодному теплоносію, який рухається у міжтрубному кільцевому просторі. Холодний теплоносій (зазвичай технічна вода) може подаватися в секцію протитечією до гарячого теплоносія і відводиться або після про­ходження всієї секції, або відводиться з частини труб секції.

При необхідності підігрівання газу під високим тиском його пода­ють у трубний простір, а гріючу пару - у міжтрубний простір.

Перевагами теплообмінників типу "труба в трубі" є високий коефіцієнт теплопередачі, можливість при необхідності встановлювати додаткові секції і нарощувати поверхню теплопе­редачі. Недоліками таких теплообмінників є громіздкість і висока питома металоємність (найбільш висока з усіх видів теплообмінних апаратів), а також складність очищення міжтрубного про­стору від відкладень солей жорсткості.

Одним з різновидів кожухотрубчастих теплообмінників є елементні (секційні) теплообмінники. Ці теплообмінники складаються з послідовно з’єднаних елементів – секцій (рис. 12). Поєднання декількох елементів з малим числом труб відповідає принципу багатоходового кожухотрубчастого апарата, який працює по найбільш вигідній схемі – протитечійній.

Рис. 12 – Елементний теплообмінник

1 – кожух секції; 2 – трубки; 3 – компенсатор лінзовий

4 – фланець; 5 - калач

Трубчасті змієвикові теплообмінники. Різновидом теплообмінних апаратів, які виготовляють з труб, є заглибні змієвикові теплообмінники, що представляють собою циліндричний однорядний або багаторядний змійовик, заглиблений у сосуд з робочим середовищем. По змійовику частіше всього подають пару або гарячу воду при на­гріванні робочого середовища або холодну воду при охолодженні середовища.

Нагрівання або охолодження робочого середовища за допомогою змійовиків до­зволяє підвищити (знизити) температуру робочого середовища на 30-50⁰С.

Основними недоліками таких теплообмінників є низький коефіцієнт тепловіддачі по зовнішній поверхні змійовика внаслідок малої швидкості руху робочого середовища, трудність очищення по­верхні теплопередачі. Для підвищення швидкості руху і інтен­сифікації тепловіддачі з боку робочого середовища всередині сосудів встановлюють мішалки. Змійовикові теплообмінники прості і дешеві у виготовленні, легко монтуються всередині апаратів, доступні для огляду і ремонту, зручні для розміщення всередині сосудів малого об’єму, але вони мають невелику поверхню теплопередачі (всього декілька квадратних метрів), тому їх використання можливо при невеликих теплових навантаженнях. З метою зменшення гідравлічного опору середовища при його русі всередині змійовиків, останні виготовляють короткими і приєднують до загального колектора як на вході теплоносія у змійовик, так і на виході з нього.

Рис. 13 – Змійовиковий теплообмінник:

1 – змійовик спіральний; 2 – корпус; 3 – стакан внутрішній;

4 – кріплення змійовика

Для підтримання у сосуді необхідної температури робочого середовища обігріваючі змійовики можуть бути виготовлені плоскими у формі спіралей, розміщених біля днища циліндричних вертикальних ємно­стей. Трубчасті змійовики можуть також кріпитися на зовнішній поверхні реакційних апаратів, в яких необхідно нагрівати або охолоджувати в’язке робоче середовище.

Виті теплообмінні апарати. В уста­новках для розділення повітря одержали широке застосування виті теплообмінники, які відрізняються високою компактністю і малим гідравлічним опором. Виті теплообмінники застосовують як для охолодження і нагрівання газів, так і для випаровування - конденсації азоту і повітря. Теплообмінники цього типу виготовляють у вигляді одно- і багатосекційних, дво- і багатотечійних.

На рис. 14 показаний конденсатор - випарник витого типу, виготовлений із сталі XI8Н10Т.

Рис. 14 – Конденсатор-випарник витого типу:

Течії: А – азот газоподібний; Аж – азот рідкий;

К – кисень газоподібний; Кж – кисень рідкий

1 – корпус; 2, 7 – решітка трубна; 3 – кришка верхня;

4 – трубки; 5 – сердечник; 6 – решітка; 8 – кришка нижня

Рідкий кисень потрапляє в апарат зверху і розподіляється по кожній трубці за допомогою спеціального розподілювача. При русі кисню по трубкам відбувається його випаровування за рахунок теплоти конден­сації газоподібного азоту, який поступає у міжтрубний простір. Газоподібний кисень відводиться з-під кришки 8 через нижній патру­бок. Сконденсований у міжтрубному просторі азот відводиться з нижньої частини корпуса. Для більш щільної навивки труб по центру корпу­су встановлений сердечник 5, зовнішній діаметр якого вибирають рів­ним 10-20 зовнішнього діаметра труб, які навиваються, і він повинен бути тим більше, чим менше товщина стінок труб. При спіральній навивці глад­ких труб на сердечник між кожним рядом труб встановлюють латун­ні прокладки, які забезпечують вільний доступ азоту до труб і стікання з них сконденсованого азоту.