Меню

Расчет теплообменника с неподвижной трубной решеткой



Расчет элементов корпуса теплообменника (трубная решётка)

Страницы работы

Содержание работы

Толщина трубной решетки определяется в зависимости от типа конструкции теплообменника, которым соответствуют определённые типы трубных решеток: А, Б и В (см. Рис. 2).

Рис. 3. Типы кожухотрубных теплообменников и трубных решеток.

ТН – теплообменник с неподвижными трубными решетками.

ТК — теплообменник с неподвижными трубными решетками и компенсатором температурных напряжений.

ТП – теплообменник с плавающей трубной решеткой.

ТУ – теплообменник с U образными трубами.

[9] Для теплообменников с неподвижными трубными решётками (типа ТН и ТК, трубные решетки типа В) при средней разности температур труб и стенки кожуха менее 15 о С толщину трубной решётки принимают большей из двух значений:

(3.14) здесь: , где — отношение жесткости труб к жесткости кожуха: ;

— коэффициент прочности трубной решётки: ,

k1 = — коэффициент, который можно определить по графику, приведённом на рис. 10 ([7] c. 46).

При средней разности температур труб и кожуха более 15 о С и давлении рм или рт более 5 МПа толщину трубной решётки определяют как:

, (3.15)

где ро — приведённое давление, которое определяют по табл. 32 [10].

Толщину трубной решётки можно определить и как

, (3.16)

где: р = max

т; рк>, а = 1.2 при расположении труб по вершинам треугольника, а = 1.3 — по вершинам квадрата.

Поверочный расчёт крепления труб в решётке

Из условий прочности крепления труб в трубной решётке:

, (3.17)

где: Nт -осевая сила в месте закрепления трубы (с учётом термических напряжений), q — удельная допускаемая нагрузка:

для гладкой развальцовки q = 15 МПа, при развальцовке в канавках q = 30 МПа, развальцовка с отбортовкой q = 40 МПа (см. Рис. ).

Кроме того, для вальцованных труб должно выполнятся соотношение:

мм, (3.18)

Трубная решётка толщиной менее 10 мм не рекомендуется.

Источник

Теплообменники с неподвижными трубными решетками (тип Н)

Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведена на рис. 1.1. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5. Кожух и камеры соединены фланцами.

Рис. 1.1. Теплообменник с неподвижной трубной решеткой

Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой – в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб.

Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху в стальных аппаратах приведены на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Варианты крепления трубных решеток к кожуху аппарата

Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы (рис. 1.3, а) или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха (рис. 1.3, б).

Рис. 1.3. Способы расположения в пространстве между трубным пучком в кожухом полос (а) и заглушённых труб (6)

В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения больших коэффициентов теплоотдачи необходимы достаточно высокие скорости теплоносителей: для газов 8–30 м/с, для жидкостей не менее 1,5 м/с. Скорость теплоносителей обеспечивают при проектировании соответствующим подбором площади сечения трубного и межтрубного пространства.

Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то в результате теплового расчета определяют коэффициент теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной камере. Промышленностью выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые теплообменники жесткой конструкции.

Двухходовой горизонтальный теплообменник типа Н (рис. 1.4) состоит из цилиндрического сварного кожуха 8, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух трубных решетках 3. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 1, 12) и межтрубного (штуцера 2, 10) пространств. Перегородка 13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка 14, уложенная в паз решетки 3.

Рис. 1.4. Двухходовой горизонтальный теплообменник о неподвижными решетками

Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки 6, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство предусмотрен отбойник 9 – круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.

Теплообменники типа Н отличаются простым устройством и сравнительно дешевы, однако им присущи два крупных недостатка. Во-первых, наружная поверхность труб не может быть очищена от загрязнений механическим способом, а теплоносители в некоторых случаях могут содержать примеси, способные оседать на поверхности труб в виде накипи, отложений и др. Слой таких отложений имеет малый коэффициент теплопроводности и способен весьма существенно ухудшить теплопередачу в аппарате.

Во-вторых, область применения теплообменных аппаратов типа Н ограничена возникновением в кожухе и трубах аппарата так называемых температурных напряжений. Это явление объясняется тем, что кожух и трубы теплообменника при его работе претерпевают разные температурные деформации, так как температура кожуха близка к температуре теплоносителя, циркулирующего в межтрубном пространстве, а температура труб – к температуре теплоносителя с большим коэффициентом теплоотдачи. Разность температурных удлинений возрастает, если кожух и трубки изготовлены из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. Возникающие при этом напряжения в сумме с напряжениями от давления среды в аппарате могут вызвать устойчивые деформации и даже разрушение конструкций.

По указанной причине теплообменники типа Н используют при небольшой разности температур (менее 50 °С) кожуха и труб, при этом возможна так называемая самокомпенсация конструкции. Однако многие аппараты типа Н, серийно выпускаемые отечественной промышленностью, рекомендованы для работы при еще меньшей разности температур (менее 30 °С). Для исключения значительных температурных напряжений при пуске аппаратов типа Н сначала направляют теплообменную среду в межтрубное пространство, для выравнивания температур кожуха и труб, а затем вводят среду в трубы.

Если расчетная разность температур кожуха и труб превышает указанную, используют теплообменные аппараты с частичной (тип К или ПК) или полной (тип У или П) компенсацией температурных напряжений.

Источник

Расчет теплообменника с неподвижной трубной решеткой

Теплообменники широко применяют как самостоятельные аппараты или как составные устройства другой аппаратуры. Из-за большого разнообразия типов теплообменники классифицируют следующим образом.

  1. По принципу действия: а) поверхностные, в которых передача тепла осуществляется через стенку; б) смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей; в) регенеративные, в которых теплопередача происходит циклически при попеременном нагревании и охлаждении специальной насадки.
  2. По назначению: холодильники, подогреватели, испарители, конденсаторы.
  3. По направлению движения теплоносителей: прямоточные; противоточные; перекрестные,
  4. По конструктивным признакам и способу изготовления: а) с поверхностью теплообмена из труб – кожухотрубчатые, «труба в трубе», оросительные, погружные змеевиковые, витые; б) с поверхностью теплообмена из металлического листа – спиральные, рубашечные, пластинчатые, сотовые; в) с поверхностью теплообмена из неметаллических материалов – с эмалированной поверхностью, из стекла, фторопласта, графита.

Требования, предъявляемые к теплообменникам: небольшие габаритные размеры при высокой производительности, высокий коэффициент теплопередачи и малое гидравлическое сопротивление; герметичность со стороны каждой среды; разборность конструкции для чистки; удовлетворение общим требованиям для химических и нефтехимических аппаратов.

Кожухотрубчатые теплообменники

Как уже отмечено, кожухотрубчатые теплообменники – наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры.

По ГОСТ 9929–82 стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: Н – с неподвижными трубными решетками; К – с температурным компенсатором на кожухе; П – с плавающей головкой; У – с U-образными трубами; ПК – с плавающей головкой и компенсатором на ней.

Медные кожухотрубчатые аппараты по ГОСТ 11971–77 изготовляют двух типов (Н и К).

В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно- и многоходовыми.

Основные параметры и размеры стальных кожухотрубчатых теплообменных аппаратов, применяемых для теплообмена жидких и газообразных сред при температуре от –60 до +600°С, приведены в ГОСТ 9929–82.

Использование стальных, кожухотрубчатых, теплообменных аппаратов различных типов в химических производствах характеризуется приблизительно следующими данными: Н – 75 %, К – 15 %; У – 3 %, П и ПК – остальное.

Теплообменники с неподвижными трубными решетками (тип Н)

Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведена на рис. 1. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3. Трубная решетка жестко соединена с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 5. Кожух и камеры соединены фланцами.

Рисунок 1 — Теплообменник с неподвижной трубной решеткой

Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой – в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб.

Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху в стальных аппаратах приведены на рис. 2.

Рисунок 2 — Варианты крепления трубных решеток к кожуху аппарата

Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы (рис. 3, а) или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха (рис. 3, б).

Рисунок 3 — Способы расположения в пространстве между трубным пучком и кожухом полос (а) и заглушенных труб (б)

В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения больших коэффициентов теплоотдачи необходимы достаточно высокие скорости теплоносителей: для газов 8…30 м/с, для жидкостей не менее 1,5 м/с. Скорость теплоносителей обеспечивают при проектировании соответствующим подбором площади сечения трубного и межтрубного пространства.

Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то в результате теплового расчета определяют коэффициент теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной камере. Промышленностью выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые теплообменники жесткой конструкции.

Двухходовой горизонтальный теплообменник типа Н (рис. 4) состоит из цилиндрического сварного кожуха 8, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух трубных решетках 3. Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера 1, 12) и межтрубного (штуцера 2, 10) пространств. Перегородка 13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка 14, уложенная в паз решетки 3.

Рисунок 4 — Двухходовой горизонтальный теплообменник с неподвижными решетками

Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки 6, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство предусмотрен отбойник 9 – круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.

Теплообменники типа Н отличаются простым устройством и сравнительно дешевы, однако им присущи два крупных недостатка. Во-первых, наружная поверхность труб не может быть очищена от загрязнений механическим способом, а теплоносители в некоторых случаях могут содержать примеси, способные оседать на поверхности труб в виде накипи, отложений и др. Слой таких отложений имеет малый коэффициент теплопроводности и способен весьма существенно ухудшить теплопередачу в аппарате.

Во-вторых, область применения теплообменных аппаратов типа Н ограничена возникновением в кожухе и трубах аппарата так называемых температурных напряжений. Это явление объясняется тем, что кожух и трубы теплообменника при его работе претерпевают разные температурные деформации, так как температура кожуха близка к температуре теплоносителя, циркулирующего в межтрубном пространстве, а температура труб – к температуре теплоносителя с большим коэффициентом теплоотдачи. Разность температурных удлинений возрастает, если кожух и трубки изготовлены из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. Возникающие при этом напряжения в сумме с напряжениями от давления среды в аппарате могут вызвать устойчивые деформации и даже разрушение конструкций.

По указанной причине теплообменники типа Н используют при небольшой разности температур (менее 50°С) кожуха и труб, при этом возможна так называемая самокомпенсация конструкции. Однако многие аппараты типа Н, серийно выпускаемые промышленностью, рекомендованы для работы при еще меньшей разности температур (менее 30°С). Для исключения значительных температурных напряжений при пуске аппаратов типа Н сначала направляют теплообменную среду в межтрубное пространство, для выравнивания температур кожуха и труб, а затем вводят среду в трубы.

Читайте также:  Замки для лесов из труб

Если расчетная разность температур кожуха и труб превышает указанную, используют теплообменные аппараты с частичной (тип К или ПК) или полной (тип У или П) компенсацией температурных напряжений.

Аппараты с температурным компенсатором на кожухе (тип К)

В этих аппаратах для частичной компенсации температурных деформаций используют специальные гибкие элементы ( расширители и компенсаторы ), расположенные на кожухе.

Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа К (рис. 5) отличается от теплообменника типа Н наличием вваренного между двумя частями кожуха 1 линзового компенсатора 2 и обтекателя 3. Обтекатель уменьшает гидравлическое сопротивление межтрубного пространства такого аппарата; обтекатель приваривают к кожуху со стороны входа теплоносителя в межтрубное пространство.

Рисунок 5 — Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с температурным компенсатором на кожухе

Наиболее часто в аппаратах типа К используют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы (рис. 6), изготовляемые обкаткой из коротких цилиндрических обечаек. Линзовый элемент, показанный на рис. 6, б, сварен из двух полулинз, полученных из листа штамповкой. Компенсирующая способность линзового компенсатора примерно пропорциональна числу линзовых элементов в нем, однако применять компенсаторы с числом линз более четырех не рекомендуется, так как резко снижается сопротивление кожуха изгибу. Для увеличения компенсирующей способности линзового компенсатора он может быть при сборке кожуха предварительно сжат (если предназначен для работы на растяжение) или растянут (при работе на сжатие).

Рисунок 6 — Компенсаторы: а – однолинзовый; б – сваренный из двух полулинз; в — двухлинзовый

При установке линзового компенсатора на горизонтальных аппаратах в нижней части каждой линзы сверлят дренажные отверстия с заглушками для слива воды после гидравлических испытаний аппарата.

Кроме линзовых в аппаратах типа К можно использовать компенсаторы других типов: из плоских параллельных колец, соединенных пластиной по наружному краю (рис. 7, а), сваренные из двух полусферических элементов (рис. 7, б), тороидальные (рис. 7, в) и др. Тороидальные компенсаторы довольно дешевы и просты в изготовлении. Их изготовляют из труб, сгибая в тор с последующей резкой его по внутренней поверхности. Для этих компенсаторов характерны небольшие (по сравнению с линзовым компенсатором) напряжения, плавно изменяющиеся по сечению компенсатора. Однако тяжелые условия работы сварного шва, соединяющего компенсатор с кожухом, сдерживают их широкое применение.

Рисунок 7 — Компенсаторы

К аппаратам, обеспечивающим частичную компенсацию температурного расширения за счет гибких элементов в кожухе, относится аппарат с расширителем 1 на кожухе 3 (рис. 8).

Рисунок 8 — Теплообменник с расширителем на кожухе

Преимущество этой конструкции – эффективность теплообмена вследствие исключения застойных зон в межтрубном пространстве. Для кожухотрубчатых теплообменников особенно характерно образование таких зон вблизи трубных решеток, поскольку штуцера ввода и вывода теплоносителя расположены на некотором расстоянии от решеток. Для ликвидации застойных зон в аппарате с частичной компенсацией температурных расширений предусмотрен распределитель 2, который обеспечивает равномерное распределение теплоносителя по межтрубному пространству.

Введение линзового компенсатора или расширителя допускает гораздо больший температурный перепад, чем в теплообменниках типа Н, однако при этом возрастает стоимость аппарата.

Область использования стальных аппаратов типа К ограничена избыточным давлением 2,5 МПа.

Теплообменники с U-образными трубами (тип У)

В кожухотрубчатых аппаратах этой конструкции обеспечивается свободное удлинение труб, что исключает возможность возникновения температурных напряжений.

Теплообменники с U-образными трубами (тип У) (рис. 9) состоят из кожуха 2 и трубного пучка, имеющего одну трубную решетку 3 и U-образные трубы 1. Трубная решетка вместе с распределительной камерой 4 крепится к кожуху аппарата на фланце.

Рисунок 9 — Теплообменник с U–образными трубами

Для обеспечения раздельного ввода и вывода циркулирующего по трубам теплоносителя в распределительной камере предусмотрена перегородка 5.

Теплообменники типа У являются двухходовыми по трубному пространству и одно- или двухходовыми по межтрубному пространству. В последнем случае (рис. 10) в аппарате установлена продольная перегородка 2, извлекаемая из кожуха 1 вместе с трубным пучком. Для исключения перетекания теплоносителя в зазорах между кожухом аппарата (рис. 11) и перегородкой 2 у стенки кожуха устанавливают гибкие металлические пластины 3 (рис. 11, а) или прокладку 3 (рис. 11, б) из прорезиненного асбестового шнура, уложенную в паз перегородки 2.

Рисунок 10 — Двухходовой теплообменник с U-образными трубами

Рисунок 11 — Варианты уплотнения пространства между перегородкой и кожухом: а – гибкой металлической пластиной; б — шнуром

В аппаратах типа У обеспечивается свободное температурное удлинение труб: каждая труба может расширяться независимо от кожуха и соседних труб. Разность температур стенок труб по ходам в этих аппаратах не должна превышать 100°С. В противном случае могут возникнуть опасные температурные напряжения в трубной решетке вследствие температурного скачка на линии стыка двух ее частей.

Преимущество конструкции аппарата типа У – возможность периодического извлечения трубного пучка для очистки наружной поверхности труб или полной замены пучка. Однако следует отметить, что наружная поверхность труб в этих аппаратах неудобна для механической очистки.

Поскольку механическая очистка внутренней поверхности труб в аппаратах типа У практически невозможна, в трубное пространство таких аппаратов следует направлять среду, не образующую отложений, которые требуют механической очистки.

Внутреннюю поверхность труб в этих аппаратах очищают водой, водяным паром, горячими нефтепродуктами или химическими реагентами. Иногда используют гидромеханический способ (подача в трубное пространство потока жидкости, содержащей абразивный материал, твердые шары и др.).

Крепление фланца 4 распределительной камеры к фланцу 1 кожуха аппарата показано на рис. 12. Специальная шпилька 3 с коническим стопорным выступом позволяет снимать распределительную камеру без нарушения соединения трубной решетки 2 с кожухом.

Рисунок 12 — Способ крепления распределительной камеры к кожуху теплообменника

Один из наиболее распространенных дефектов кожухотрубчатого теплообменника типа У – нарушение герметичности узла соединения труб с трубной решеткой из-за весьма значительных изгибающих напряжений, возникающих от массы труб и протекающей в них среды. В связи с этим теплообменные аппараты типа У диаметром от 800 мм и более для удобства монтажа и уменьшения изгибающих напряжений в трубном пучке снабжают роликовыми опорами.

К недостаткам теплообменных аппаратов типа У следует отнести относительно плохое заполнение кожуха трубами из-за ограничений, обусловленных изгибом труб.

Обычно U-образные трубы изготовляют гибкой труб в холодном или нагретом состоянии. Для исключения сплющивания и значительного утонения стенки на растянутой стороне стальной трубы радиус изгиба принимают [TEX]R ≥ 4d_m[/TEX], где [TEX]d_m[/TEX] – наружный диаметр трубы.

К существенным недостаткам аппаратов типа У следует отнести невозможность замены труб (за исключением крайних труб) при выходе их из строя, а также сложность размещения труб, особенно при большом их числе.

Из-за указанных недостатков теплообменные аппараты этого типа не нашли широкого применения.

Теплообменные аппараты с плавающей головкой (тип П)

В теплообменниках с плавающей головкой теплообменные трубы закреплены в двух трубных решетках, одна из которых неподвижно связана с корпусом, а другая имеет возможность свободного осевого перемещения; последнее исключает возможность температурных деформаций кожуха и труб.

Горизонтальный двухходовой конденсатор типа П (рис. 13) состоит из кожуха 10 и трубного пучка. Левая трубная решетка 1 соединена фланцевым соединением с кожухом и распределитель ной камерой 2, снабженной перегородкой 4. Камера закрыта плоской крышкой 3. Правая, подвижная, трубная решетка установлена внутри кожуха свободно и образует вместе с присоединенной к ней крышкой 8 «плавающую головку». Со стороны плавающей головки аппарат закрыт крышкой 7. При нагревании и удлинении трубок плавающая головка перемещается внутри кожуха.

Рисунок 13 — Горизонтальный двухходовой конденсатор с плавающей головкой

Для обеспечения свободного перемещения трубного пучка внутри кожуха в аппаратах диаметром 800 мм и более трубный пучок снабжают опорной платформой 6. Верхний штуцер 9 предназначен для ввода пара и поэтому имеет большое проходное сечение; нижний штуцер 5 предназначен для вывода конденсата и имеет меньшие размеры.

Значительные коэффициенты теплоотдачи при конденсации практически не зависят от режима движения среды. Поперечные перегородки в межтрубном пространстве этого аппарата служат лишь для поддержания труб и придания трубному пучку жесткости.

Аппараты с плавающей головкой обычно выполняют одноходовыми по межтрубному пространству, однако установкой продольных перегородок в межтрубном пространстве можно получить многоходовые конструкции. На рис. 14 показаны двухходовые по межтрубному пространству теплообменники.

Рисунок 14 — Двухходовой теплообменник типа П с плавающей головкой: а – цельной; б – разрезной

Хотя в аппаратах типа П обеспечивается хорошая компенсация температурных деформаций, эта компенсация не является полной, поскольку различие температурных расширений самих трубок приводит к короблению трубной решетки. В связи с этим в многоходовых теплообменниках типа П диаметром более 1000 мм при значительной (выше 100°С) разности температур входа и выхода среды в трубном пучке, как правило, устанавливают разрезную по диаметру плавающую головку.

Наиболее важный узел теплообменников с плавающей головкой – соединение плавающей трубной решетки с крышкой. Это соединение должно обеспечивать возможность легкого извлечения пучка из кожуха, аппарата, а также минимальный зазор [TEX]\Delta [/TEX] между кожухом и пучком труб. Вариант, показанный на рис. 15, позволяет извлекать трубный пучок, но зазор [TEX]\Delta [/TEX] получается больше (по крайней мере чем в теплообменниках типа Н) на ширину фланца плавающей головки. Крепление по этой схеме наиболее простое; его часто применяют в испарителях с паровым пространством.

Рисунок 15 — Вариант размещения плавающей головки в кожухе большого диаметра

Размещение плавающей головки внутри крышки, диаметр которой больше диаметра кожуха, позволяет уменьшить зазор; но при этом усложняется демонтаж аппарата, так как плавающую головку нельзя извлечь из кожуха теплообменника (рис. 16, б).

Рисунок 16 — Вариант размещения крышки плавающей головки в кожухе меньшего диаметра

Конструкции крепления плавающей головки с трубной решеткой, позволяющие легко извлекать трубный пучок из кожуха при минимальном зазоре [TEX]\Delta [/TEX] между трубным пучком и кожухом, показаны на рис. 17. В одном из таких простых соединений использованы разрезные фланцы (рис. 17, а). Конструкция включает разрезной фланец 1 (состоит из двух полуколец, стянутых ограничительным кольцом 2), уплотняющую прокладку 3, крышку 4 плавающей головки и трубную решетку 5.

Рисунок 17 — Способы крепления крышки плавающей головки к трубной решетке: а – разрезным фланцем; б – разрезной фланцевой скобой; в – разрезным кольцом; г — разрезным стяжным кольцом

Широко распространены соединения фланцевой скобой 2 (рис. 17, б), представляющей собой приспособление типа струбцины. Соединение состоит из двух полуколец, охватывающих край трубной решетки 4 и фланец 3 крышки. Винты 1 должны быть расположены посередине уплотнения, что обеспечивает разгрузку фланца от изгибающих моментов.

В другой конструкции (рис. 17, в) накидной фланец 1 удерживается разрезным кольцом 2, вставленным в паз трубной решетки 3. Широко применяют также крепление крышки 3 (рис. 17, г) и трубной решетки 4 разрезным кольцом 1, половинки которого соединены между собой накладками 2.

Особенно часто трубные пучки с плавающей головкой используют в испарителях с паровым пространством.

В этих аппаратах должна быть создана большая поверхность зеркала испарения, поэтому диаметр кожуха испарителя значительно превышает диаметр трубного пучка, а перегородки в пучке служат лишь для увеличения его жесткости.

В испарителе (рис. 18) уровень жидкости в кожухе 11 поддерживается перегородкой 2. Для обеспечения достаточного объема парового пространства и увеличения поверхности испарения расстояние от уровня жидкости до верха корпуса составляет примерно 30 % его диаметра. Трубный пучок 3 расположен в корпусе испарителя на поперечных балках 4. Для удобства монтажа трубного пучка в перегородке 2 и левом днище предусмотрен люк 10, через который в аппарат можно завести трос от лебедки.

Рисунок 18 — Испаритель

Продукт вводится в испаритель через штуцер 5; для защиты трубного пучка от эрозии над этим штуцером установлен отбойник 6. Пары отводятся через штуцер 9, продукт – через штуцер 1. Теплоноситель подводится в трубный пучок и отводится через штуцеры 7, 8. В таких аппаратах можно устанавливать несколько трубных пучков.

Теплообменники с плавающей головкой и компенсатором (тип ПК)

Теплообменники с плавающей головкой и компенсатором (тип ПК) представляют собой аппараты полужесткой конструкции, в которых компенсацию температурных напряжений обеспечивает гибкий элемент – компенсатор, установленный на плавающей головке.

Теплообменники типа ПК выполняют одноходовыми с противоточным движением теплоносителей и используют при по­вышенном давлении теплообменивающихся сред (5…10 МПа).

Теплообменник этой конструкции (рис. 19) отличается от рассмотренных наличием на крышке 2 удлиненного штуцера (горловины) 3, внутри которого размещен компенсатор 4. Последний соединен одним концом с плавающей головкой 1, другим – со штуцером на крышке теплообменника. Конструкции остальных узлов теплообменника аналогичны используемым в аппаратах типа П.

Рисунок 19 — Теплообменник с плавающей головкой и компенсатором

Показанная на рис. 19 конструкция обеспечивает возможность извлечения трубного пучка из корпуса для контроля его состояния и механической очистки труб.

Компенсаторы, используемые в аппаратах типа ПК, отличаются от линзовых компенсаторов аппаратов типа К относительно меньшими диаметрами, большим числом волн (гофров), меньшей толщиной стенки. Такие компенсаторы можно использовать при перепаде давлений не более 2,5 МПа, поэтому аппараты типа ПК разрешается эксплуатировать только при одновременной подаче теплоносителей в трубное и межтрубное пространства.

Пример частичной компенсации разности температурных деформаций кожуха и труб – использование в кожухотрубчатых аппаратах сальникового уплотнения.

На рис. 20 приведена схема кольцевого уплотнения трубной решетки 4. Уплотнение обеспечивают сальниковые кольца 1, расположенные по обе стороны от дренажного кольца 3 и поджатые фланцами 2, 5. В случае утечки через сальник теплоноситель выводится из аппарата через отверстие в дренажном кольце. Трубная решетка в аппарате такой конструкции должна быть на периферии достаточно широкой для возможности размещения прокладки и дренажных колец, с учетом перемещения решетки при удлинении труб.

Читайте также:  Топ полипропиленовых труб для отопления

Рисунок 20 — Сальниковое кольцевое уплотнение

Такие аппараты нельзя использовать для летучих и воспламеняющихся жидкостей.

Элементы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов

Основные элементы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: кожух (корпус), распределительная камера и трубный пучок. Последний состоит из труб, трубных решеток и перегородок. Элементы стальных кожухотрубчатых аппаратов изготовляют из стали. Из стали можно выполнять и некоторые элементы медных (ГОСТ 11971–77) аппаратов, например, кожух.

Для каждого из рассмотренных выше типов стальных кожухотрубчатых аппаратов в зависимости от их назначения материалы регламентированы соответствующими ГОСТами.

Кожухи и распределительные камеры

Кожух (корпус) теплообменного аппарата малого диаметра [TEX]D[/TEX] (менее 600 мм) чаще всего изготовляют из труб, а кожух большого диаметра вальцуют из листовой стали. В последнем случае особенно при большой длине аппарата кожух может быть сварным из трех обечаек: центральной и двух концевых. Длина концевых обечаек [TEX]l=2\sqrt [/TEX] (где [TEX]D_н[/TEX] — наружный диаметр кожуха; [TEX]s_к[/TEX] — толщина стенки кожуха), но не менее 100 мм. Толщина концевых обечаек в 1,2…1,4 раза должна превосходить толщину центральной обечайки. Это объясняется необходимостью компенсировать напряжения, возникающие в месте соединения кожуха с трубной решеткой.

Для теплообменных аппаратов, особенно аппаратов типа У, П и ПК, должна быть обеспечена необходимая устойчивость формы кожуха; к этой характеристике обечайки предъявляют особые требования, потому что для очистки указанных аппаратов приходится периодически извлекать трубный пучок с перегородками. Так как зазор между кожухом и перегородкой невелик (несколько миллиметров), появление овальности кожуха приведет к невозможности монтажа и демонтажа трубного пучка.

Для аппаратов типа Н должна быть обеспечена способность кожуха и труб к самокомпенсации , т.е. способность противостоять напряжениям, возникающим из-за различия их температурных удлинений.

Для образования ходов теплоносителя по трубам распределительную камеру снабжают продольной перегородкой. Вариант герметизации узла соединения перегородки показан на рис. 4. Для аппаратов небольшого диаметра (до 800 мм) крышку распределительной камеры выполняют плоской, поскольку такие крышки дешевле и проще в изготовлении. В некоторых случаях для удобства обслуживания аппарата распределительные камеры и крышки к ним навешивают в шарнирных устройствах, закрепленных на кожухе.

Толщину стенок распределительной камеры принимают равной толщине стенки кожуха аппарата. Камеру и крышку обычно изготовляют из того же материала, что и кожух аппарата.

Фланцы теплообменных аппаратов выполняют с привалочной поверхностью выступ-впадина или под прокладку восьмиугольного сечения. В стальных кожухотрубчатых теплообменниках используют металлические и асбометаллические прокладки; Во всех случаях прокладку следует изготовлять цельной без сварки, пайки или склеивания. Прокладку в плавающей головке выполняют обычно из стали.

Теплообменные трубы и трубные решетки

Теплообменные трубы кожухотрубчатых стальных аппаратов – это серийно выпускаемые промышленностью трубы из углеродистых, коррозионностойких сталей и латуни. Диаметр теплообменных труб значительно влияет на скорость теплоносителя, коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве и габариты аппарата; чем меньше диаметр труб, тем большее их число можно разместить в кожухе данного диаметра. Однако трубы малого диаметра быстрее засоряются при работе с загрязненными теплоносителями, определенные сложности возникают при механической очистке и закреплении таких труб развальцовкой. В связи с этим наиболее употребительны стальные трубы с наружным диаметром 20 и 25 мм. Трубы диаметром 38 и 57 мм применяют при работе с загрязненными или вязкими жидкостями.

С увеличением длины труб и уменьшением диаметра аппарата его стоимость снижается. Наиболее дешевый теплообменный аппарат при длине труб 5…7 м.

Трубные решетки кожухотрубчатых теплообменников изготовляют из цельных стальных листов или поковок. Для аппаратов большого диаметра используют сварные трубные решетки. В этом случае сварные швы не должны пересекаться, а расстояние от кромки сварного шва до отверстий должно быть не менее 0,8 диаметра отверстия.

Схема расположения труб в трубных решетках и шаг отверстий для труб регламентируются ГОСТ 9929–82. Для теплообменников типов Н и К трубы размещают в трубных решетках по вершинам равносторонних треугольников (рис. 21, а), а для теплообменников типов П, У и ПК – по вершинам квадратов (рис. 21, б) или равносторонних треугольников. При размещении труб диаметром [TEX]d_m[/TEX] по вершинам равносторонних треугольников обеспечивается более компактное расположение труб в трубной решетке, чем при размещении их по вершинам квадратов при одинаковом шаге [TEX]t'[/TEX]. Однако последняя схема имеет важное эксплуатационное преимущество: она позволяет очищать трубы снаружи механическим способом, поскольку между трубами образуются сквозные ряды. При размещении по вершинам треугольников такие ряды можно получить, только увеличив шаг [TEX]t'[/TEX]. По окружностям (рис. 21, в) трубы располагают лишь в кислородной аппаратуре.

Рисунок 21 — Схема размещения труб в трубной решетке: а – по вершинам равностороннего треугольника; б – по вершинам квадратов; в – по окружностям

Шаг [TEX]t'[/TEX] отверстий для труб в решетке выбирают с учетом достаточной прочности участка шириной [TEX]m=t’-d_m[/TEX]; для стальных кожухотрубчатых аппаратов шаг принимают по следующим данным:

[TEX]d_т[/TEX], мм 16 20 25 38 57
[TEX]t'[/TEX], мм 21 26 32 48 70

Трубы соединяют с трубной решеткой стальных аппаратов развальцовкой (рис. 22, а, б, е), сваркой (рис. 22, г, д), развальцовкой со сваркой (рис. 22, в). Пайку и заливку металлом концов труб в решетках (рис. 22, ж) применяют при изготовлении теплообменников из меди и ее сплавов, а склеивание – при изготовлении аппаратов из полимерных материалов (рис. 22, з).

Рисунок 22 — Варианты крепления труб в трубных решетках: а – развальцовка в двух канавках; б – развальцовка в одной канавке; в – развальцовка со сваркой; г, д – сварка; е – развальцовка в гладком отверстии; ж – пайка; з – склеивание

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.

Развальцовочное соединение должно быть прочным и герметичным. Прочность соединения оценивают усилием вырыва трубы из гнезда, герметичность – максимальным давлением среды, при котором соединение герметично. При развальцовке конец трубы должен выступать над трубной решеткой на расстояние, равное толщине s трубы. Для повышения прочности и герметичности соединения иногда выполняют отбортовку выступающего над решеткой конца трубы (рис. 22, е).

Наиболее простой способ – развальцовку (в гладких отверстиях) – применяют при относительно небольших рабочих давлениях (до 0,6 МПа). Прочность и герметичность вальцовочного соединения значительно возрастают при развальцовке в отверстиях с одной или двумя канавками глубиной около 0,5 мм.

Трубы развальцовывают обычно на глубину [TEX]1,5d_m[/TEX] или, если толщина решетки меньше [TEX]1,5d_m[/TEX], 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 [TEX]1,5d_m[/TEX]​ со стороны распределительной камеры, другой шириной [TEX]0,75d_m[/TEX] со стороны межтрубного пространства. Это позволяет исключить проникновение среды в щель между трубой и решеткой и коррозию.

Крепление труб сваркой с развальцовкой применяют без ограничений давления и температуры теплоносителей. В этом случае сначала выполняют сварку, а затем развальцовку трубы.

Перегородки, прокладки

В кожухотрубчатых теплообменниках устанавливают поперечные и продольные перегородки.

Поперечные перегородки , размещаемые в межтрубном пространстве теплообменников, предназначены для организации движения теплоносителя в направлении, перпендикулярном оси труб, и увеличения скорости теплоносителя в межтрубном пространстве. В обоих случаях возрастает коэффициент теплоотдачи на наружной поверхности труб.

Поперечные перегородки устанавливают и в межтрубном пространстве конденсаторов и испарителей, в которых коэффициент теплоотдачи, на наружной поверхности труб на порядок выше коэффициента на их внутренней поверхности. В этом случае перегородки выполняют роль опор трубного пучка, фиксируя трубы на заданном расстоянии одна от другой, а также уменьшают вибрацию труб.

Вибрация труб обычно не вызывает серьезных неприятностей, если теплоноситель в межтрубном пространстве является вязкой жидкостью и достаточно хорошо демпфирует колебания труб. Однако в аппаратах, где по межтрубному пространству с большой скоростью идет газ, вибрация труб может вызвать их серьезное повреждение.

Известны несколько конструкций поперечных перегородок: с сегментным (рис. 23, а), секторным (рис. 23, б) и щелевым (рис. 23, в) вырезами, с чередованием дисков и колец (рис. 23, г).

Рисунок 23 — Варианты поперечных перегородок

Наиболее широко в мировой практике применяют сегментные перегородки. Высота вырезаемого сегмента равна примерно 1/3 диаметра аппарата, а расстояние между перегородками – около 0,5 диаметра аппарата.

Аппараты со сплошными перегородками используют обычно для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору (около 1,5 мм) между трубой и перегородкой (рис. 23, д). В зазорах между перегородкой и трубами поток сильно турбулизируется, что приводит к уменьшению толщины ламинарного пограничного слоя и, как следствие, увеличению коэффициента теплоотдачи на наружной поверхности труб.

Интенсификация теплообмена поперечными перегородками может значительно снижаться из-за утечек теплоносителя в зазорах между корпусом и перегородками. Для уменьшения утечек устанавливают следующие ограничения. При наружном диаметре кожуха аппарата не более 600 мм зазор между корпусом и перегородкой не должен превышать 1,5 мм. В остальных случаях диаметр поперечных перегородок выбирают по соответствующим нормативным документам.

Толщина продольных перегородок трубного пучка, распределительных камер и крышек должна быть не менее 6 мм.

Расчеты на прочность кожухотрубчатых теплообменных аппаратов

При определении температурных напряжений в трубах и кожухе теплообменников типа Н можно полагать, что трубные решетки не деформируются, а кожух и трубы не подвергаются продольному изгибу.

Пусть кожух и трубы аппарата выполнены из материалов с модулями упругости соответственно [TEX]E_к[/TEX] и [TEX]E_m[/TEX] (МПа) и температурными коэффициентами линейного расширения соответственно [TEX]\alpha _к[/TEX] и [TEX]\alpha _m[/TEX] ([TEX]^\circ C^<-1>[/TEX]). Введем обозначения: длина труб [TEX]L[/TEX] (м); площади поперечного сечения труб и кожуха соответственно [TEX]F_m[/TEX] и [TEX]F_к[/TEX] ([TEX]м^2[/TEX]), их температуры [TEX]t_m[/TEX] и [TEX]t_к[/TEX] ([TEX]^\circ C[/TEX]); для определенности примем [TEX]t_m > t_к[/TEX].

Если бы трубы и кожух не были жестко связаны между собой, то разность их относительных деформаций можно было бы определить из соотношения:

  • (1.1) [TEX]\Delta /L=\epsilon =\alpha _m(t_m-t_0)-\alpha _к(t_к-t_0), [/TEX]
  • где [TEX]t_0[/TEX] – температура окружающей среды при сборке аппарата.

В реальных условиях эта разность компенсируется деформациями кожуха [TEX]\Delta _к’/L=\epsilon _к[/TEX] (растяжение) и труб [TEX]\Delta _m’/L=\epsilon _m[/TEX] (сжатие). Очевидно, что

  • (1.2) [TEX]\epsilon =\epsilon _к+\epsilon _m,[/TEX]

Деформации кожуха и труб определяются напряжениями растяжения в кожухе [TEX]\sigma _к[/TEX] и сжатия в трубах [TEX]\sigma _m[/TEX]:

  • (1.3) [TEX]\begin\sigma _к=\epsilon _кE_к; & \sigma _m=\epsilon _mE_m. \end [/TEX]

Поскольку осевая сила [TEX]Q[/TEX] (Н), вызывающие эти напряжения, одинакова для кожуха и труб, можно записать

  • (1.4) [TEX]\epsilon _кE_кF_к=\epsilon _mE_mF_m.[/TEX]

Подставив (1.4) и (1.1) в (1.2), с учетом (1.3) найдем

[TEX]\sigma _m=\theta [\alpha _m(t_m-t_0)-\alpha _к(t_к-t_0)] /F_m;[/TEX]

  • (1.5) [TEX]\sigma _к=\theta [\alpha _m(t_m-t_0)-\alpha _к(t_к-t_0)] /F_к,[/TEX]
  • где
  • (1.6) [TEX]\theta =E_кF_кE_mF_m/(E_кF_к+E_mF_m).[/TEX]

Для стальных теплообменников, корпус и трубы которых изготовлены из материала с модулем упругости [TEX]E=200 ГПа[/TEX] и температурным коэффициентом линейного расширения [TEX]\alpha =1,21·10^<-5>[/TEX]​ [TEX]^\circ C^<-1>[/TEX], при разности температур кожуха и труб [TEX]\Delta t=50^\circ C[/TEX] (допустимой для теплообменников типа Н) и равных площадях поперечного сечения кожуха и труб [TEX]F_к=F_m[/TEX], напряжения [TEX]\sigma _к=\sigma _m=0,5\alpha E\Delta t=60,5 МПа[/TEX]. Установкой линзовых компенсаторов уменьшают напряжения в кожухе на [TEX]\Delta \sigma _к[/TEX]​, в трубах на [TEX]\Delta \sigma _m[/TEX]:

[TEX]\Delta \sigma _к\approx \Delta _л’z\theta [\alpha _m(t_m-t_0)-\alpha _к(t_к-t_0)] /(F_кL)[/TEX] и

  • (1.7) [TEX]\Delta \sigma _m\approx \Delta _л’z\theta [\alpha _m(t_m-t_0)-\alpha _к(t_к-t_0)] /(F_mL),[/TEX]
  • где [TEX]\Delta _л'[/TEX] — компенсирующая способность одного элемента, м;[TEX]z[/TEX] – число элементов компенсатора.

Из выражения (1.7) следует, что при введении компенсатора в конструкцию уменьшение температурных напряжений тем значительнее, чем больше элементов в компенсаторе. Однако число линз не должно быть большим из-за опасности потери устойчивости формы кожуха, особенно если компенсаторы работают на осевое сжатие.

Распределительные камеры теплообменного аппарата предназначены для распределения потока теплоносителя по трубам и представляют собой обечайку с фланцами, соединенными с трубной решеткой и съемной эллиптической или плоской крышкой. В некоторых конструкциях крышка приварена к цилиндрической обечайке.

Для образования ходов теплоносителя по трубам распределительную камеру снабжают продольной перегородкой. Для аппаратов небольшого диаметра (до 800 мм) крышку распределительной камеры выполняют плоской, поскольку такие крышки дешевле и проще в изготовлении. В некоторых случаях для удобства обслуживания аппарата распределительные камеры и крышки к ним навешивают в шарнирных устройствах, закрепленных на кожухе.

Толщину стенок распределительной камеры принимают равной толщине стенки кожуха аппарата. Камеру и крышку обычно изготовляют из того же материала, что и кожух аппарата.

Фланцы теплообменных аппаратов выполняют с привалочной поверхностью выступ-впадина или под прокладку восьмиугольного сечения. В стальных кожухотрубчатых теплообменниках используют металлические и асбометаллические прокладки. Во всех случаях прокладку следует изготовлять цельной без сварки, пайки или склеивания. Прокладку в плавающей головке выполняют обычно из стали.

Расчет на прочность элементов кожухотрубчатых аппаратов проводят в соответствии с ОСТ 26-1185-81 (Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Элементы теплообменных аппаратов). Методика расчета распространяется на стальные, работающие при статических и повторно-статических нагрузках аппараты с неподвижными трубными решетками, компенсатором или расширителем на кожухе, а также на аппараты с U–образными трубами и плавающей головкой. При этом следует учитывать все сочетания давлений в трубном и межтрубном пространствах и температур труб и кожуха, возможные при пуске, в рабочих условиях, при промывке или испытаниях аппарата, с целью определения экстремальных значений расчетных характеристик для каждого из элементов аппарата.

Основные деформации и нагрузки в теплообменниках типа Н и К

Рассмотрим случай, когда трубная решетка, не деформируясь, перемещается параллельно своему первоначальному состоянию. Будем полагать, что температура кожуха [TEX]t_к[/TEX] равномерно распределена по длине и сечению аппарата, а температура теплообменных труб постоянна и равна [TEX]t_m[/TEX].

Поскольку кожух теплообменных аппаратов обычно теплоизолирован, в расчетах примем [TEX]t_к[/TEX] равной средней температуре продукта, находящегося в межтрубном пространстве. В этом случае температура стенки трубы

[TEX]t_m=0,5(t_г-q/\beta _г+t_х+q/\beta _х),[/TEX]

где [TEX]t_г[/TEX]​, [TEX]t_х[/TEX] — средние температуры соответственно горячего и холодного теплоносителя, [TEX]^\circ C[/TEX]; [TEX]q[/TEX] — плотность теплового потока, Вт/м 2 ; [TEX]\beta _г[/TEX]​, [TEX]\beta _х[/TEX] — коэффициенты теплоотдачи со стороны соответственно горячего и холодного теплоносителя, Вт/(м 2 ·ºС).

Если [TEX]\beta _г \approx \beta _х[/TEX], т.е. коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространстве равны, то принимают [TEX]t_m=0,5(t_г+t_х )[/TEX].

Предположим, что аппарат изготовлен при температуре [TEX]t_0[/TEX], причем кожух и каждая из теплообменных труб не имеют после сборки остаточных осевых напряжений. Тогда при нагревании до температур [TEX]t_к[/TEX] и [TEX]t_m[/TEX] удлинения кожуха и трубы составят (рис. 24):

Рисунок 24 — Схема к определению температурных деформаций элементов теплообменника

  • (1.8) [TEX]\Delta _<кt>=\alpha _к(t_к-t_0)L;[/TEX]
  • (1.9) [TEX]\Delta _=\alpha _m(t_m-t_0)L;[/TEX]
  • здесь [TEX]\alpha _к[/TEX] и [TEX]\alpha _m[/TEX] – температурные коэффициенты линейного расширения соответственно кожуха и труб, [TEX]^\circ C^<-1>[/TEX]​; [TEX]L[/TEX] – расстояние между трубными решетками (длина труб и кожуха), мм.

Если, например, [TEX]\Delta _<кt>>\Delta _[/TEX]​, то при нагревании аппарата кожух сжимается на величину [TEX]\Delta _к'[/TEX]​, а каждая труба растягивается на величину [TEX]\Delta _m'[/TEX] (условие совместности деформаций кожуха и труб).

Сжатие кожуха вызывает появление осевой силы [TEX]Q_к[/TEX], Н/мм (на единицу длины окружности кожуха). Связь между [TEX]\Delta _к'[/TEX] и [TEX]Q_к[/TEX] имеет вид, мм

  • (1.10) [TEX]\Delta _к’=Q_кL/(s_кE_к),[/TEX]
  • где [TEX]s_к[/TEX] -толщина кожуха, мм; [TEX]E_к[/TEX] – модуль упругости материала кожуха, МПа.

Соотношение между [TEX]\Delta _m'[/TEX] и осевой силой в трубе [TEX]N_m[/TEX], в Н:

  • (1.11) [TEX]\Delta _m’=N_mL/[\pi (d_m-s_m)s_mE_m],[/TEX]
  • где [TEX]d_m[/TEX] и [TEX]s_m[/TEX] — соответственно наружный диаметр и толщина стенки теплообменной трубы, мм; [TEX]E_m[/TEX] – модуль упругости материала труб, МПа.

Приравняв деформации кожуха и труб

и воспользовавшись условием равновесия трубной решетки [TEX]\pi D_<ср>Q_к=iN_m[/TEX], можно найти

[TEX]N_m=\pi (d_m-s_m)s_mE_m[\alpha _к(t_к-t_0)-\alpha _m(t_m-t_0)]/(1+\rho );[/TEX]

где [TEX]\rho =E_mi(d_m-s_m)s_m/(E_кs_кD_<ср>)[/TEX]; [TEX]i[/TEX] – число труб, закрепленных в решетке; [TEX]D_<ср>[/TEX] — средний диаметр кожуха, мм.

Очевидно, что в общем случае поступательное перемещение трубной решетки может быть обусловлено действием не только разности температур труб и кожуха, но и давлений в трубном и межтрубном пространствах.

Рассмотрим независимые перемещения кожуха и системы «трубная решетка — трубы» под действием давления. В этом случае под действием разности давлений снаружи и изнутри теплообменной трубы в ней возникают окружные напряжения

соответствующая осевая деформация

  • (1.13) [TEX]\Delta _=\mu \sigma _L/E_m=0,5\mu (p_m-p_м)(d_m-s_m)L/(E_ms_m);[/TEX]
  • где [TEX]\mu [/TEX] – коэффициент Пуассона; [TEX]p_m[/TEX] и [TEX]p_м[/TEX] – давления соответственно в трубном и межтрубном пространствах, МПа.

Аналогично действие давления в межтрубном пространстве приводит к возникновению кольцевых напряжений в обечайке кожуха

и осевой деформации кожуха

Условие совместимости деформаций кожуха и труб при действии только давления имеет вид (рис. 25): [TEX]\Delta _<кp>+\Delta _к’=-\Delta _m’+\Delta _[/TEX].

Рисунок 25 — Схема к определению деформации элементов теплообменника под действием давления

В этом случае условие равновесия трубной решетки можно записать в виде

  • (1.15) [TEX]\pi D_<ср>Q_к=-Q_м+Q_m+iN_m,[/TEX]
  • где [TEX]Q_м[/TEX] — сила, действующая на трубную решетку со стороны межтрубного пространства, Н; [TEX]Q_м=p_м(\pi a^2-0,25i\pi d_m^2)[/TEX] (здесь [TEX]a[/TEX] — внутренний радиус кожуха, мм); [TEX]Q_m=0,25p_mi\pi (d_m-2s_m)^2[/TEX] – неуравновешенная сила, возникающая от давления в трубном пространстве и действующая на трубную решетку со стороны греющей камеры, Н (рис. 26).

Рисунок 26 — Схема равновесия элемента теплообменника

Таким образом, уравнение (1.15) примет вид

  • (1.16) [TEX]\pi D_<ср>Q_к=-p_м(\pi a^2-0,25i\pi d_m^2)+0,25p_mi\pi (d_m-2s_m)^2+iN_m.[/TEX]
  • (1.17) [TEX]\Delta _<кt>+\Delta _<кp>+\Delta _к’=-\Delta _m’+\Delta _+\Delta_ .[/TEX]

Подставив (1.8)-(1.11), (1.13) и (1.14) в (1.17), получим

[TEX]\alpha _к(t_к-t_0)+0,5\mu p_мD_<ср>/(s_кE_к)+Q_к/(s_кE_к)=\alpha _m(t_m-t_0)+[/TEX]

  • (1.18) [TEX]+0,5\mu (p_m-p_м)(d_m-s_m)/(E_ms_m)-N_m/[\pi (d_m-s_m)s_mE_m],
    [/TEX]
  • где [TEX]Q_к[/TEX] и [TEX]N_m[/TEX] — осевые силы в кожухе и трубах при совместном действии давления и температуры.

Решив совместно (1.18) и (1.16), можно получить искомые значения [TEX]Q_к[/TEX] и [TEX]N_m[/TEX]. В ОСТ 26 1185-81 решение этой системы приведено в виде

  • (1.19) [TEX]Q_к=0,5a[p_m-p_0 /(1+\rho ‘ K_Д)];[/TEX]
  • (1.20) [TEX]N_m=(\pi a_1^2/i)[(\eta _м p_м-\eta _m p_m)+f_0 p_0],[/TEX]
  • где [TEX]Q_к[/TEX] в Н/мм; [TEX]N_m[/TEX] – в Н; [TEX]a[/TEX] – в мм;
  • [TEX]p_0=[\alpha _к(t_к-t_0)-\alpha _m(t_m-t_0)]K_yL+[\eta _m-1+0,15i(d_m-s_m)2/a_1^2+m_n(m_n+0,5\beta K_Д)] p_m-[/TEX][TEX][\eta _м-1+[/TEX] [TEX]+0,15i(d_m-s_m)2/a_1^2+m_n(m_n+0,3\rho ‘K_p)] p_м[/TEX] – в МПа [здесь [TEX]K_y=E_m(\eta _m-\eta _м)/L[/TEX]; [TEX]\eta _m=1-0,25i(d_m-2s_m)^2/a_1^2[/TEX]; [TEX]\eta _м=1-0,25id_m^2/a_1^2[/TEX]; [TEX]m_n=a/a_1[/TEX]; [TEX]\rho ‘= K_y a_1L/(E_кs_к)[/TEX]; [TEX]K_Д=K_p=1[/TEX]]; [TEX]a_1[/TEX] – расстояние от оси кожуха до наиболее удаленной трубы, мм; [TEX]f_0 \approx 0,4[/TEX] – для аппаратов с неподвижными трубными решетками.

В рассмотренном случае предполагаем, что решетка состоит из центральной перфорированной части 1 диаметром [TEX]2a_1[/TEX] и наружного неперфорированного кольцевого пояса 2 шириной [TEX]a-a_1[/TEX] (рис. 27).

Рисунок 27 — Схема к определению размеров трубной решетки

Упрощенный расчет элементов аппарата

Выполненный анализ теплообменников жесткой конструкции позволил разработать упрощенный метод расчета основных элементов теплообменного аппарата (ОСТ 26 1185-81). Такой расчет выполняют для аппаратов, предназначенных для работы под давлением не более 6,4 МПа и перепаде температур труб и кожуха не более 40ºС. Расчет применим при [TEX](a-a_1)/s_p ≤ 3[/TEX] (где [TEX]s_p[/TEX] — толщина трубной решетки) и отсутствии дополнительных требований к жесткости трубной решетки.

Для теплообменных аппаратов с неподвижными трубными решетками, компенсатором или расширителем на кожухе толщина трубной решетки, мм:

  • (1.21) [TEX]s_p=f_1 s_к /(\eta _m-\eta _м)+c,[/TEX]
  • где [TEX]f_1=f_1(A’, B’)[/TEX] – вспомогательная функция, определяемая по графику; [TEX]s_к[/TEX] – толщина стенки кожуха аппарата, мм; [TEX]\eta _m[/TEX] и [TEX]\eta _м[/TEX] – коэффициенты влияния давления на трубную решетку [см. (1.20)]; [TEX]c[/TEX] – конструктивная прибавка, мм;

[TEX]A’=0,5p_0 /([\sigma _a]_p φ_p);[/TEX] [TEX]B’=\psi _0L /s_к,[/TEX]

[TEX][\sigma _a]_p[/TEX] – допускаемое напряжение для материала решетки в условиях малоциклового нагружения, МПа; [TEX]φ_p=1-d_0 /t_p[/TEX] – коэффициент ослабления трубной решетки ([TEX]d_0[/TEX] – диаметр отверстия в решетке, мм; [TEX]t_p[/TEX] – шаг отверстий для труб в решетке, мм); [TEX]\psi _0[/TEX] – коэффициент жосткости перфорированной плиты:

[TEX]\eta _m[/TEX] 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
[TEX]\psi _0[/TEX] 0,12 0,20 0,30 0,44 0,59

Для аппаратов с U–образными трубами, плавающей головкой и компенсатором на плавающей головке толщина трубной решетки, мм:

Расчетная толщина трубной решетки должна обеспечивать возможность крепления труб в решетке и во всех случаях

  • (1.23) [TEX]s_p\geq 0,5D_E\sqrt <|p_m-p_м|/[\sigma ] _ p>+c,[/TEX]
  • где [TEX]s_p[/TEX] – в мм; [TEX]D_E[/TEX] – максимальный диаметр окружности, вписанной в площадь решетки, не занятой трубами, мм.

Толщина решетки, выполненной за одно целое с фланцем, должна быть не менее толщины кольца ответного фланца.

Для аппаратов, многоходовых по трубному пространству, толщина трубной решетки в сечении канавки, мм:

где [TEX]t_n[/TEX] – шаг расположения отверстий в зоне паза (канавки), мм; [TEX]b_n[/TEX] — ширина паза под прокладку, мм.

Условие прочности кожуха в месте присоединения к решетке имеет вид

  • (1.24) [TEX]0,5K_\sigma \sigma _ ≤ [\sigma _a]_к , [/TEX]
  • где [TEX]K_\sigma [/TEX] – эффективный коэффициент концентрации напряжений, зависящий от способа крепления решетки к фланцу или кожуху (по ОСТ 26 1185-81); [TEX]\sigma _=\max<\left\< \begin\sigma _1; & \sigma _2 \end \right\> > [/TEX] (здесь [TEX]\sigma _1=Q_к/s_к[/TEX]; [TEX]\sigma _2=|p_м|a/s_к[/TEX]; [TEX][\sigma _a]_к[/TEX] допускаемое напряжение для материала кожуха в условиях малоциклового нагружения, МПа.

При [TEX]Q_к (1.25) [TEX]Q=0,5ap_m-Q_к.[/TEX]

Рисунок 28 — Схема деформации элементов теплообменника

Пусть трубный пучок растягивается приложенными по контуру трубных решеток силами [TEX]Q[/TEX] (рис. 28, б). При этом решетки под влиянием изгибающих моментов [TEX]M[/TEX] прогибаются, и вследствие этого в каждой из труб возникает осевая сила [TEX]N_(r)[/TEX]. С учетом площади, на которую она действует, можно определить распределенную нагрузку (давление) [TEX]p(r)=N_(r)/f_i[/TEX], где [TEX]f_i=\pi a^2/i[/TEX] – площадь поверхности решетки, приходящейся на одну трубу.

Удлинение каждой трубы:

  • (1.26) [TEX]\Delta _m'(r)=N_(r)L/[\pi (d_m-s_m)s_mE_m][/TEX]
  • связано с прогибом w(r) решетки соотношением:
  • (1.27) [TEX]0,5\Delta _m'(r)=w(r).[/TEX]

Поскольку рассматриваем упругие прогибы решетки, распределенная нагрузка [TEX]p(r)[/TEX] на решетку должна быть пропорциональна ее прогибу, т.е.:

  • (1.28) [TEX]p(r)=kw(r)=N_(r)L/[\pi (d_m-s_m)s_mE_m f_i].[/TEX]
  • Из (1.26)-(1.28) [TEX]k=2E_m f_i /(Lf_i)[/TEX], где [TEX]f_m=\pi (d_m-s_m)s_m[/TEX].

В общем случае кроме силы [TEX]Q[/TEX] и давления [TEX]p(r)[/TEX] на решетку действует еще и приведенное давление [TEX]p_0’=p_м\eta _м-p_m\eta _m[/TEX] (рис. 28, в); дифференциальное уравнение, описывающее прогиб в условиях такого нагружения, имеет вид:

где [TEX]x=\beta r[/TEX]; [TEX]\beta =\sqrt[4] [/TEX]; [TEX]D_\psi =D_c\psi _p[/TEX]; [TEX]D_c=E_ps_p^3/[12(1-μ^2)][/TEX] – жесткость неперфорированной круглой пластины с размерами трубной решетки ([TEX]E_p[/TEX] – модуль упругости материала решетки, МПа).

Решение этого дифференциального уравнения имеет вид:

[TEX]w=p_0’/k+C_1 ber x+C_2bei x,[/TEX]

Постоянные [TEX]C_1[/TEX], [TEX]C_2[/TEX] в этом решении определим из граничных условий. Предварительно мы условились рассматривать трубную решетку состоящую из двух зон (рис. 27) — центральной перфорированной части диаметром [TEX]2a_1[/TEX], испытывающей со стороны упругого основания действие распределенной нагрузки [TEX]p(r)[/TEX], и кольца шириной [TEX]a-a_1[/TEX], не испытывающего этой нагрузки. Соответственно изгибающий момент и перерезывающую силу на границе перфорированной и неперфорированной частей решетки обозначим через [TEX]M_a[/TEX] и [TEX]Q_a[/TEX], на внешней границе неперфорированной части – [TEX]M[/TEX] и [TEX]Q[/TEX] (рис. 28, г).

Из условия, что изгибающий момент на внешнем контуре перфорированной части решетки

[TEX]M(r)=-D_\psi (d^2w/dr^2+0,5\mu dw/dr)=M_a,[/TEX]

а перерезывающая сила

[TEX]Q(r)=D_\psi (d^3w/dr^3+d^2w/dr^2-dw/r dr)=Q_a,[/TEX]

получим следующее выражения для постоянных интегрирования:

[TEX]C_1=\frac<1> <\beta ^2D_\psi T>\left[ M_aber’\omega -\frac<\beta >f_2(\omega ) \right] ;[/TEX]

[TEX]C_2=\frac<1> <\beta ^2D_\psi T>\left[ M_abei’\omega +\frac<\beta >f_1(\omega ) \right] ,[/TEX]

где [TEX]T=-f_1(ω)ber’ ω-f_2(ω)bei’ ω[/TEX]; [TEX]\omega =\beta a[/TEX]; [TEX]f_1(\omega )=\frac<1-\mu ><\omega >ber’\omega +bei \omega [/TEX]; [TEX]f_2(\omega )=\frac<1-\mu ><\omega >bei’\omega -ber \omega [/TEX]; штрихом отмечена производная соответствующей функции по [TEX]x[/TEX].

В результате найдем

[TEX]w=\frac <\beta ^3D_\psi T>\left[ f_1(\omega )beix-f_2(\omega )berx\right]+\frac<\beta ^2D_\psi T>\left[ ber’\omega berx+bei’\omega beix\right] [/TEX]

[TEX]φ =\frac <\beta ^2D_\psi T>\left[ f_1(\omega )bei’x-f_2(\omega )berx\right]+\frac<\beta D_\psi T>\left[ ber’\omega berx+bei’\omega beix\right],[/TEX]

где [TEX]φ[/TEX] — угол поворота трубной решетки на радиусе [TEX]r[/TEX].

Для контура перфорированной части решетки (рис. 29, а) при [TEX]r=a_1[/TEX] эти уравнения приведем к виду

[TEX]w_1=\frac<1>\left( \Phi _1Q_a+\Phi_2\beta M_a \right) +\frac<1> \left( \eta _мp_м-\eta _mp_m\right) ; [/TEX]

  • (1.29) [TEX]φ_1=\frac<\beta >\left( \Phi _1Q_a+\Phi_3\beta M_a \right);[/TEX]
  • здесь [TEX]\Phi _1=\Phi _1(\beta a_1)[/TEX]; [TEX]\Phi _2=\Phi _2(\beta a_1)[/TEX]; [TEX]\Phi _3=\Phi _3(\beta a_1)[/TEX] – функции учитывающие влияние труб и беструбного края решетки на ее изгиб (их значения табулированы и приведены в ОСТ 26 1185-81).

Рисунок 29 — Схема деформации трубной решетки

Учитывая условие равновесия неперфорированной кольцевой части трубной решетки (рис. 29, б) [TEX]Q_a=Q_a/a_1+0,5(a^2-a_1^2)(p_м-p_m)/a_1[/TEX] и условие совместимости деформаций на границе перфорированной и неперфорированной частей трубной решетки ([TEX]φ_1=φ_2[/TEX]), получим выражения для прогибов и углов поворота на наружном контуре трубной решетки (рис. 29, а):

  • (1.30) [TEX]w_2(r)=(a^2/D_c)\left[ T_<11>Q_a+T_<12>M+T_<13>(p_m-p_м)a^2+(\eta _мp_м-\eta _mp_m)/k\right] ;[/TEX]
  • (1.31) [TEX]φ_2(r)=(a/D_c)\left[ T_<12>Q_a+T_<22>M+T_<23>(p_m-p_м)a^2\right] ,[/TEX]
  • где [TEX]T_[/TEX] – специальные функции, табулированные в ОСТ 26 1185-81.

Расчет усилий в системе кожух – трубная решетка для аппаратов типа Н

Для определения усилия [TEX]Q[/TEX] и момента [TEX]M[/TEX], возникающих в месте соединения решетки с кожухом или фланцем, запишем условие совместности деформаций труб [TEX]\Delta _m[/TEX]​ и кожуха [TEX]\Delta _к[/TEX] (рис. 30):

  • (1.32) [TEX]\Delta _m+2 w(r)=\Delta_ к,[/TEX]
  • где
  • [TEX]\Delta _m=\alpha _m(t_m-t_0)L+(d_mp_м-d_0 p_m)\mu L/(2E_ms_m)=\Delta_+\Delta _[/TEX];
  • [TEX]d_0=d_m-2s_m;[/TEX]
  • [TEX]\Delta _к=\alpha _к(t_к-t_0)L-(Q_к-\mu ap_м)L/(E_кs_к)=\Delta _<кt>+\Delta _<кp>-\Delta _к’.[/TEX]

Рисунок 30 — Схема совместной деформации трубной решетки, корпуса и труб

Подставив в (1.32) выражение (1.30) и выполнив преобразования, получим

  • (1.33) [TEX](T_<11>+\rho _1)Q_a+T_<12>M=p_1a^2,[/TEX]
  • где
  • [TEX]p_1=\left[ 0,5\rho _1-T_<13>+\rho _3(2\eta _mf_i/f_m+\mu d_0/s_m)\right] p_m-[/TEX]
  • [TEX]-\left[ \mu \rho _1-T_<13>+\rho _3(2\eta _м f_i/f_m+\mu d_m/s_m)\right] p_м+2[\alpha _к(t_к-t_0)-\alpha _m(t_m-t_0)] E_m \rho _3;[/TEX]
  • [TEX]\rho _1=LD_c/(2E_кs_кa^3);[/TEX]
  • [TEX]\rho _3=LD_c/(4E_ma^4).[/TEX]

Уравнение (1.33) содержит две подлежащие определению величины – [TEX]a[/TEX] и [TEX]M[/TEX] . Для нахождения изгибающего момента [TEX]M[/TEX] на наружном контуре решетки воспользуемся условием равенства углов поворота трубной решетки [TEX]φ_р[/TEX] и фланца [TEX]φ_ф[/TEX] (в месте их соединения).

Угол поворота фланца [TEX]φ_ф[/TEX] с учетом того, что он поворачивается вместе с ответным фланцем, скрепленным с распределительной камерой, запишем в виде

Приравняв [TEX]φ[/TEX] и [TEX]φ_ф[/TEX] [см. уравнения (1.31) и (1.34)], получим

Решив совместно (1.36) и (1.33), найдем

В ОСТ 26 1185-81 эта система приведена к виду:

Уточненный расчет элементов теплообменных аппаратов типа Н и К

Уточненный расчет элементов теплообменных аппаратов типа Н и К выполняют для конструкций, не отвечающих требованиям упрощенного расчета.

Прочность перфорированной части трубной решетки рассчитывают из условия:

В соответствии с изложенным выше толщину трубной решетки проверяем по условию:

Прочность кожуха в месте присоединения к решетке или фланцу рассчитывается по условию (1.24), где

Если условие прочности кожуха в месте соединения с решеткой не выполняется, можно установить переходной пояс увеличенной толщины высотой не менее [TEX]2\sqrt <2as_к>[/TEX].

Проверку прочности устойчивости труб и узла крепления труб в решетке выполняют так же, как и при упрощенном расчете.

Источник