КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

пучков труб, скрепленных при помощи трубных досок (решеток) и ограниченных

кожухами и крышками с патрубками.

Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены.

Теплообменники этого типа применяются в тех случаях, когда требуется большая поверхность теплообмена и предназначаются для теплообмена между

различными жидкостями (водоподогреватели и водоохладители, топливоподогреватели, маслоохладители и т. п.;

жидкостями и паром (конденсаторы и испарители);

жидкостями и газами (промежуточные воздухоохладители компрессоров, охладители наддувочного воздуха и пр.).

сваренный из одного или нескольких стальных листов или изготовленный из

цельнотянутых труб. Во время действия ТА его корпус подвергается воздействию разности атмосферного давления и давления в межтрубном пространстве. В вакуумных конденсаторах материал корпуса работает на сжатие. В большинстве кожухотрубных ТА корпус находится под воздействием избыточного внутреннего давления.
Основные требования к корпусу теплообменника − жесткость, обеспечивающая устойчивость формы, и плотность.
Кожухи различаются главным диаметром аппарата, но не делается тоньше 4 мм. Корпуса некоторых наиболее ответственных ТА (например, главных конденсаторов транспортных турбинных судов) изготовляют из стальных листов толщиной 10 ÷ 16 мм и снабжают ребрами жесткости, располагаемыми снаружи и внутри. Ребрами жесткости подкрепляют, как правило, плоские стенки.
К цилиндрическим кромкам кожуха привариваются фланцы для соединения с крышками или днищами.
На наружной поверхности кожуха привариваются патрубки (штуцеры) и опоры аппарата.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

с различными местами установки патрубков.









Типы соединений крышки с корпусом

аппарата и трубопроводами

Крышка с патрубком, ось которого перпендикулярна плоскости разъема (рис.а), неудобна тем, что снятие ее с корпуса связано с демонтажем трубопровода.
При снятии крышки с боковым патрубком (рис. б) требуется только отсоединение труб от крышки.
Съемное днище крышки - коллектора (рис. в) допускает ревизию и очистку аппарата без отделения его от трубопроводов, однако наличие дополнительного фланцевого соединения усложняет конструкцию аппарата.
Крышка, выполняемая с одним разъемным соединением патрубков (рис. г), дает возможность ограничиться одним разъемом. Однако это менее удобно при смене и развальцовке труб.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

при ее расчете определяют в зависимости от давления теплоносителя, формы

и материала.

Сварные эллиптические крышки на рабочее давление до 2,5 МПа показаны на рис.,а, а выше - на рис.,б.

Крышки кожухотрубных теплообменных аппаратов

По форме крышки подразделяются на эллиптические, сферические (тарельчатые) и плоские.
Они могут быть литыми, штампованными и сварными.
Крышки судовых ТА обычно выполняются литыми из высокопрочного чугуна.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Плоские крышки просты и дешевы в изготовлении, но при значительных давлениях и больших диаметрах получаются очень толстыми и тяжелыми.

Для уменьшения коррозии внутренние поверхности крышек покрывают антикоррозионными покрытиями.
Наименее подвержены коррозии литые бронзовые или штампованные медные крышки, применяемые в высоконапряженных и иногда вспомогательных конденсаторах.

и фланцами корпуса













а, з, и - соединение фланцев с плоскими

поверхностями; б, к, л, м - соединение фланцев с уплотнением "в замок"; в, н - соединение фланцев с уплотнением "с зубом"; г, д, м - соединение фланцев при помощи простых шпилек; з - л, н - соединение фланцев при помощи шпилек с буртиком; е, ж - соединение резьбовых фланцев

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

выступом для приварки;
б - с уменьшенным, выступом за счет

выточки;
в – для давления 1,5 МПа

наружный диаметр и толщина стенки трубы соответственно, мм) 101; 121;

141; 141,5; 160,75; 161; 161,5; 162; 191; 202; 222; 241; 252; 252,5; 291,5; 292; 293; З22; 323; 381,6; 382 и т.п. Обычно наружный диаметр трубок в кожухотрубных ТА находится в пределах 12 ÷ 20 мм при толщине стенки 1 ÷ 2 мм.
Трубы с наружным диаметром менее 10 мм обычно не применяют из-за трудности их очистки.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

(степени его коррозионного воздействия на материал труб) и скорости движения

среды.

Скорость движения жидких теплоносителей, как правило, ограничивается верхним пределом 3 м/с.
Причинами ограничения служат опасность возникновения кавитационных эрозионных разрушений поверхностей труб и интенсификация коррозионных процессов, вызываемая разрушением защитных оксидных пленок.

Аппараты, в которых одной из рабочих сред является морская вода, комплектуют теплообменными трубами, изготовленными из меди и сплавов цветных металлов:

при скорости воде в трубах до 3 м/с и температуре их внутренней стенки не выше 60 ÷ 80 С их выполняют: при скорости воды до 2 м/с и температуре стенки до 50 С − из медно-никелевого сплава МНЖ-5-1;
при скорости воды до 1,2 м/с - из латуни Л070-1;
при скорости воды до 0,9 м/с - из меди МЗС;л
латунь Л68 или нержавеющую сталь ОХ18Н10Т используют в ТА, где рабочими средами являются пар и конденсат или пар и масло со скоростью движения не более 1,8 м/с;
углеродистую сталь 10 в ТА с теплоносителями в виде топлива и пара или топлива и конденсата.
Максимальная скорость сухого насыщенного либо влажного пара для всех материалов труб во избежание их эрозионного разрушения не должна превышать 50 м/с.
Максимально возможная скорость жидких сред для труб из углеродистой и нержавеющей сталей определяется допустимыми потерями давления этих жидкостей в ТА.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

углеродистые и низколегированные стали. В судовых конденсаторах с целью снижения

скорости коррозии под воздействием забортной воды применяют трубные доски, изготовленные из оловянистой или свинцовистой латуни.
Толщина трубной доски рассчитывается, но при вальцовке должна быть min 5+ 0,125d для стальной трубы и min  10+0,2d для медной. В общем случае наименьшая толщина трубных досок в месте вальцовки не должна быть меньше наружного диаметра труб с учетом допуска на коррозию.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

между стальными фланцами крышки и корпуса, с прокладками для герметизации.

Приварку трубных досок к корпусу аппарата ведут несколькими способами, но эффективными являются те, в результате применения которых уменьшается объем сварочных работ.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

расположением доски между фланцами; б – сварное соединение встык; в

– сварное соединение по периметру; г, д – соединение досок при помощи сварки; е, ж, - соединение досок при помощи болтов и шпилек

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

должно обеспечивать плотность и долговечность соединения и плавный безвихревой вход

в трубы теплоносителя.
Теплообменные трубы закрепляют развальцовкой, развальцовкой в сочетании со сваркой или сваркой.
Во избежание подрезки труб их развальцовку производят на глубину 0,8 ÷ 0,9 толщины трубных досок, а кромки отверстий закругляют или снимают с них фаску.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

досках
а – обычная развальцовка; б – развальцовка с отбортовкой; в

– развальцовка с двойной отбортовкой; г – развальцовка с канавками (шириной 2  3,5 мм и глубиной 0,4  1 мм); е, д, к-н – приварка труб;ж – заливка оловом; з – закрепление при помощи втулок на резьбе; и – коническая развальцовка входного участка трубы

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

аппарате могут быть разделены перегородками на несколько ходов.

Ходом называется

участок теплообменной поверхности, в пределах которого весь расход теплоносителя движется в одном направлении до очередного поворота.

Перегородки, устанавливаемые в межтрубном пространстве, предназначены для увеличения скорости теплоносителя и, следовательно, коэффициента теплоотдачи.

Перегородки, устанавливаемые в крышках, служат для увеличения числа ходов теплоносителя по трубам.

Установка перегородок в теплообменном аппарате позволяет значительно снизить его габариты.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

ТА
В крышках двух- и четырехходовых ТА хода могут разделяться

параллельными перегородками.

В аппаратах с четырьмя и более ходами применяют разбивку труб по секторам или более сложные, комбинированные методы установки перегородок.

При проектировании ТА предпочтительным является организация движения теплоносителя в трубах при четном числе ходов.
В этом случае входной и выходной штуцеры располагаются с одной стороны теплообменника, что упрощает его монтаж и обслуживание.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

ТА

На рисунке сплошными линиями показаны перегородки в передней крышке

(со стороны входа теплоносителя в трубное пространство), а штриховыми - в задней крышке.
Цифрами обозначена последовательность ходов.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

ТА
Толщина перегородок зависит от диаметра крышки, для углеродистых и

низколегированных сталей она составляет 9 - 16 мм, для сплавов меди – 6 ÷ 13 мм.
Материал перегородок и крышек выбирают одинаковым. Перегородки или отливают как одно целое с крышками или приваривают к ним. При этом в примыкающей трубной доске выполняют направляющие пазы, в которые при сборке входят перегородки вместе с уплотняющими прокладками











I - задняя сторона трубной доски (обращенная к корпусу); II - передняя сторона трубной доски» (обращенная к крышке); 1 - отверстие под связь; 2.- поверхность под прокладку; 3 - отверстия под трубки; 4 - паз для перегородок; 5 - поверхность под прокладку; 6 - неподвижная и плавающая трубные доски I- плавающая трубная доска; II - неподвижная трубная доска; 1 - штыри; 2, 7 - отверстия под трубки; 3 - нарезные отверстия под отжимные болты; 4 - паз под прокладку; 5 - отверстия под болты; 6 - канавки ля перегородок.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

При поперечном обтекании пучков труб достигается более интенсивная теплоотдача, чем

при продольном. Поперечные перегородки устанавливаются для
организации поперечного обтекания труб в межтрубном пространстве;
крепления труб с целью предотвращения прогибов и вибраций;
получения более высокой скорости жидкости внутри кожуха.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

а) односторонние сегментные перегородки;




б) перегородки типа диск-кольцо;


в) двусторонние сегментные перегородки.

ТА

Трубные пучки в сборе с перегородками

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

ТА

В аппаратах с поперечными перегородками в межтрубном пространстве формируются

зоны со скоростью ниже критической, так называемые «мешки», где скорость жидкости приближается к нулю, что приводит к резкому выпадению в этих зонах отложений. Это приводит к  зарастанию теплообменной поверхности, изменению первоначальной геометрии проходного сечения, нарушению заданного гидродинамического режима движения среды и, как следствие, к снижению интенсивности процесса теплообмена в целом.
Применение винтовых перегородок в межтрубном  пространстве позволяет организовать макровихревое движение теплоносителя, тем самым  интенсифицировать в 3 ÷ 5 раз теплоотдачу среды к стенке, что позволяет обеспечить процесс теплообмена на значительно меньших площадях теплообменной поверхности в заданных диапазонах гидравлических потерь.
Теплообменное оборудование с винтовым скоростным движением потока обладает моделью полного вытеснения. В любой точке системы скорость потока имеет заданную величину, что полностью исключает осаждение частиц примесей в межтрубном пространстве теплообменников. В сочетании со скоростным движением среды по трубному пространству это обеспечивает интенсивный теплообмен на протяжении всего срока эксплуатации теплообменных аппаратов.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

ТА










Преимуществами теплообменников с винтовыми перегородками перед обычными кожухотрубными теплообменниками

являются:
уменьшенное загрязнение кожуха, улучшенный теплообмен в межтрубном пространстве;
низкие потери давления в межтрубном пространстве;
снижение вибрации;
лучшее распределение двухфазного потока;
увеличенный срок службы;
значительное снижение удельных затрат на содержание теплообменного оборудования в целом.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

ТА

Для предотвращения вредных протечек через зазоры между кожухом и

перегородкой по периферии перегородок часто устанавливают уплотнительные сегменты 5 из упругодеформируемого материала (чаще всего пластического) (рис. 1.16,в). Толщина уплотняющего листа 2 ÷ 5 мм, напуск за пределы перегородки 10 ÷ 15 мм. В этом случае зазор между перегородкой и кожухом может быть увеличен до 4 ÷ 5 мм.












Схемы уплотнения трубного пучка в теплообменных аппаратах с поперечными перегородкамиа − крепление поперечных перегородок при помощи стяжных стержней: 1 − стяжной стержень с распоркой; 2 − контргайка; 6 − уплотнения зазора между кожухом и перегородкой; 3 − кожух; 4 − поперечная перегородка; 5 − пластиковый лист.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

ТА


















Уплотнение зазора между кожухом и трубами:
1 − уплотняющий

лист; 2 − вытеснитель

Для предотвращения холостых протечек между кожухом ТА и трубным пучком в окружном направлении устанавливаются закрепляемые на перегородках уплотняющие листы 6 или вытеснители 7 (рис. 1.16,в). Обычно это выполняется в местах, где трубы отстоят от кожуха на расстоянии более 30 мм или более чем на 2dн.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

ТА
КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ
При закреплении продольных перегородок их иногда приваривают

к кожуху (в ТА жесткой конструкции) или к неподвижной трубной доске ТА нежесткой конструкции. В последнем случае зазоры между продольной перегородкой и кожухом уплотняют. Некоторые способы уплотнения представлены на рисунке.
Толщина уплотняющей полосы примерно 0,2 мм (рис.а).

а − уплотнение зазора между корпусом и продольной перегородкой: 1 − корпус; 2 − пакет уплотняющих полос; 3 − крепежные детали; 4 − продольная перегородка; б − закрепление продольной перегородки в корпусе при помощи направляющих: 1 − корпус; 2 − направляющая; 3 − перегородка; в − закрепление продольных перегородок путем приварки к половинках обечайки с последующей их сваркой: 1 − верхняя половинка обечайки; 2 − нижняя половинка обечайки; 3 − сварной шов; г − получение продольных ходов при помощи простой звездочки, образованной из листов, располагающихся по радиусам; д − получение продольных ходов при помощи комбинированной звездочки, состоящей из центральной трубки и радиальных перегородок

шагом и числом ходов.
В теплообменных аппаратах применяются следующие способы разбивки

труб: а – шахматная;
б – треугольная; в – коридорная; г – квадратная.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Шахматная разбивка (рис. а), определяемая поперечным шагом S1 - расстоянием между трубами в одном ряду и продольным шагом S2 - расстоянием между рядами труб. В шахматных пучках соотношение S1 и S2 определяет величину косого (диагонального) шага Sк. Рекомендуется принимать следующие значения шаговых отношений (отношений шага к наружному диаметру трубы d): S1/d = 1,3 ÷ 3; S2/d = 1 ÷ 2,2.
Частным случаем шахматной разбивки является треугольная (рис. б). При треугольной разбивке оси труб располагаются в вершинах равносторонних треугольников (S1 = Sк).
Коридорная разбивка, так же как и шахматная, определяется значениями шагов S1 и S2 (рис. в). Пределы изменения шаговых отношений S1/d = S2/d = 1,5 ÷ 2,0. Частным случаем коридорной разбивки труб является квадратная (рис. г).

– разбивка по сторонам шестиугольников; б – радиальная разбивка; в

– разбивка по концентрическим окружностям

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

напряжения от изгиба под действием разности давлении в водяном и

паровом пространствах конденсаторов.












Крепление продольных связей
а - продольные связи в виде сплошных стержней: б - продольные связи в виде труб с хвостовиками; в - продольные связи, упирающихся в сквозные отверстия; 1 - трубная доска; 2 – продольная связь; 3 - хвостовик; 4 - гайка колпачкового типа

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

и отвода теплоносителей производится с помощью штуцеров.














При выборе высоты

штуцеров необходимо исходить из условий закладки болтов во фланцы со стороны теплообменника, а также с учетом толщины слоя изоляции, закрепляемой на поверхности аппарата.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Штуцеры и способы их соединения с корпусом аппарата
а – сварное соединение с укрепляющим кольцом; б – сварное соединение с утолщающим патрубком; в – сварное соединение с вытяжной горловиной корпуса; г - сварное соединение с тавровым воротником; д – штуцер с приварным фланцем и тонкостенным патрубком; е – с фланцем, приваренным к встык и тонкостенным патрубком; ж – кованый толстостенный; г, д – с фланцем, приваренным встык, и толстостенным патрубком

вертикальном теплообменном аппарате; б − кольцевая опора; в − опора

типа "лапа", закрепляемая при помощи хомута; г − опора типа "лапа", устанавливаемая на горизонтальном теплообменном аппарате; д − подвижная кольцевая опора: е − подвижная опора типа "лапа": 1 − фундамент; 2 − болт фундаментный; 3 − опора аппарата; 4 − шайба; 5 − втулка

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

в последней наиболее распространенной группе ТА различают следующие основные схемы

движения теплоносителей:















Кроме указанных схем движения рабочих сред в ТА существуют и другие, более сложные, представляющие различные сочетания названных выше схем

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

1 − прямоток;
2 − противоток;
3 − перекрестный ток;
4 – смешанный ток;
5 - сложный ток.

группы – с постоянной температурой обоих теплоносителей (испарители – конденсаторы

индивидуальных веществ.) t1 = ts1, t2 = ts2; с постоянной температурой одного теплоносителя (конденсаторы и испарители индивидуальных веществ); с переменной температурой обоих теплоносителей.

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

трубами:
а - малой производительности;
б – большой производительности; :

в – с U-образными трубами;
г – восьмиходовой топливоподогреватель.

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

б − подогреватель топлива типа ПТК
с U-образными трубами вертикального

исполнения;
в − восьмиходовой подогреватель топлива

КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

охлаждения 18 м2
КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

25 м2
КОЖУХОТРУБНЫЕ ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ