Ахметов А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа

Подождите немного. Документ загружается.

101

Особенностью аппаратов типа ТН

является то, что трубы жестко соедине

ны с трубными решетками, а решетки

с корпусом. В связи с этим исключена

возможность взаимных перемещений

труб и кожуха; поэтому аппараты этого

типа называют еще теплообменниками

жесткой конструкции. Некоторые вари

анты крепления трубных решеток к ко

жуху в стальных приведены на рис. 2.21.

Трубы в кожухотрубчатых тепло

обменниках размещают так, чтобы за

зор между внутренней стенкой кожуха

и поверхностью, огибающей пучок труб

был минимальным; в противном случае

значительная часть теплоносителя мо

жет миновать основную поверхность

теплообмена. Для уменьшения коли

чества теплоносителя, проходящего

между трубным пучком и кожухом

в этом пространстве устанавливают

специальные заполнители, например

приваренные к кожуху продольные

полосы (рис. 2.22а) или глухие трубы,

которые не проходят через трубные

решетки и могут быть расположены

непосредственно у внутренней поверх

ности кожуха (рис. 2.22б).

Рис. 2.20. Схема одноходового

теплообменного аппарата типа ТН

(вертикальное исполнение):

1 — кожух; 2 — трубки; 3 — трубная решет

ка; 4 — крышки; 5 — штуцера

Рис. 2.21. Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху аппарата

102

В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения больших ко-

эффициентов 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 соответ

ствующим подбором площади сечения трубного и межтрубного про

странства.

Если площадь сечения трубного пространства

(число и диаметр труб)

выбрана, то в результате теплового расчета определяют коэффициент

теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитыва

ют 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 ТН

(рис. 2.23)

состоит из цилиндрического сварного кожуха

5, распределительной

камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, за-

крепленными в двух трубных решетках

3. Трубные решетки приварены

к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены флан

цами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для

ввода и вывода теплоносителей из трубного

(штуцера 1, 12) и межтруб-

ного

(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.

Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании

труб теплоносителем выше

, чем при продольном, в межтрубном про-

странстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками

поперечные перегородки

6, обеспечивающие зигзагообразное по дли-

Рис. 2.22. Способы расположения

в пространстве между трубным пучком

и кожухом полос (а)

и заглушенных труб (

б)

103

не 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.

Достоинством аппаратов этого типа является простота конструкции

и, следовательно, меньшая стоимость.

Однако им присущи два крупных недостатка

. Во-первых, очистка

межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому те

плообменники такого типа применяются в тех случаях, когда среда

проходящая через межтрубное пространство, является чистой, не агрес

сивной, т. е. когда нет необходимости в чистке.

Во

-вторых, существенное различие между температурами трубок

и кожуха в этих

аппаратах приводит к большему удлинению трубок по

сравнению с кожухом

, что обусловливает возникновение температур-

ных напряжений в трубной решетке

5, нарушает плотность вальцов-

ки труб в решетке и ведет к попаданию одной теплообменивающейся

среды в другую

. Поэтому теплообменники этого типа применяют при

разнице температур теплообменивающихся сред, проходящих через

трубки и межтрубное пространство не более

50 °C и при сравнительно

небольшой длине аппарата.

Рис. 2.23. Двухходовой горизонтальный теплообменник с неподвижными решетками

104

Теплообменные аппараты

с температурным компенсато

ром типа ТК (рис. 2.24) име

ют неподвижные трубные ре

шетки и снабжены специаль

ными гибкими элементами

для компенсации различия

в удлинении кожуха и труб

возникающего вследствие

различия их температур

Вертикальный кожухо

трубчатый теплообменник типа ТК отлича

ется от теплообменника типа ТН наличием

вваренного между двумя частями кожуха

линзового компенсатора

2 и обтекателя 3

(рис. 2.25). Обтекатель уменьшает гидрав-

лическое сопротивление межтрубного про

странства такого аппарата; обтекатель при

варивают к кожуху со стороны входа тепло

носителя в межтрубное пространство.

Наиболее часто в аппаратах типа ТК ис

пользуют одно- и многоэлементные линзо

вые компенсаторы), изготовляемые обкат-

кой из коротких цилиндрических обечаек

Линзовый элемент, показанный на рисун

ке 2

.25б, 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 ком-

пенсирующей способности линзового компенсатора он может быть при

сборке кожуха предварительно сжат

(если предназначен для работы на

растяжение) или растянут (при работе на сжатие).

Рис. 2.24. Вертикальный кожухо-

трубчатый теплообменник типа ТК

Рис. 2.25. Компенсаторы:

а — однолинзовый; б — сварен-

ный из двух полулинз; в – двух

линзовый

105

При установке линзового компенсатора на горизонтальных аппа-

ратах в нижней части каждой линзы сверлят дренажные отверстия

с заглушками для слива воды после гидравлических испытаний аппа

рата.

Теплообменники с

U-образными трубками типа ТУ имеют одну

трубную решетку

, в которую завальцованы оба конца U-образных тру-

бок, что обеспечивает свободное удлинение трубок при изменении их

температуры. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки

внутренней поверхности труб

, вследствие которой они используются

преимущественно для чистых продуктов.

Такие аппараты

(рис. 2.26) 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 ап-

парата на фланце.

Теплообменники этого типа могут быть в горизонтальном и верти

кальном исполнении

. Их изготовляют диаметром 325…1400 мм с тру-

бами длиной

6...9 м, на условное давление до 6,4 МПа и для рабочих

температур до 450 °С. Масса теплообменников до 30 т.

Для обеспечения раздельного ввода и вывода теплоносителя в рас

пределительной камере предусмотрена перегородка

Теплообменники типа ТУ являются двухходовыми по трубному про

странству и одно- или двухходовыми по межтрубному пространству

В последнем случае

(рис. 2.27) в аппарате установлена продольная

перегородка

2, извлекаемая из кожуха 1 вместе с трубным пучком.

Для исключения перетекания теплоносителя в зазорах между кожу

хом аппарата и перегородкой 2 у стенки кожуха устанавливают гибкие

металлические пластины 3 (

рис. 2.28а) или прокладку 3 (рис. 2.28б) из

прорезиненного асбестового шнура, уложенную в паз перегородки

Рис. 2.26. Теплообменник с U-образными трубами

106

В аппаратах типа ТУ

обеспечивается свободное

температурное удлинение

труб: каждая труба может

расширяться независимо

от кожуха и соседних труб

Разность температур стенок

труб по ходам в этих аппа

ратах не должна превышать

100 °С. В противном случае

могут возникнуть опас

ные температурные напря

жения в трубной решетке

вследствие температурного

скачка на линии стыка двух

ее частей.

Преимуществом кон

струкции аппарата типа ТУ

является возможность пе

риодического 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 ТУ 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 реаген

тами. Иногда используют гидромеханический способ (подача в труб-

ное пространство потока жидкости, содержащей абразивный материал

твердые шары и др.).

Крепление фланца

4 распределительной камеры к фланцу 1 кожуха

аппарата показано на рис.

2.29. Специальная шпилька 3 с коническим

стопорным выступом позволяет снимать распределительную камеру

без нарушения соединения трубной решетки 2 с кожухом.

Один из наиболее распространенных дефектов кожухотрубчатого

теплообменника типа ТУ — нарушение герметичности узла соединения

труб с трубной решеткой из

-за весьма значительных изгибающих напря-

Рис. 2.27. Двухходовой теплообменник

U-образными трубами

Рис. 2.28. Уплотнения пространства

между перегородкой и кожухом:

а — гибкой металлической пластиной; б — шнуром

107

жений, возникающих от массы

труб и протекающей в них среды

В связи с этим теплообменные

аппараты типа ТУ диаметром от

800 мм и более для удобства мон

тажа и уменьшения изгибающих

напряжений в трубном пучке

снабжают роликовыми опорами

К недостаткам теплообмен

ных аппаратов типа ТУ следует

отнести относительно плохое заполнение кожуха трубами из

-за огра-

ничений, обусловленных изгибом труб. Обычно

U-образные трубы из-

готовляют гибкой труб в холодном или нагретом состоянии.

К существенным недостаткам аппаратов типа ТУ следует отнести

невозможность замены труб

(за исключением наружных труб) при вы-

ходе 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 типа ТП

(с под-

вижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным ти

пом поверхностных аппаратов (рис. 2.30). Подвижная трубная решетка

позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от кор

пуса. В аппаратах этой конструкции температурные напряжения могут

возникать лишь при существенном различии температур трубок.

Рис. 2.29. Способ крепления распределительной

камеры к кожуху теплообменника

Рис. 2.30. Горизонтальный двухходовой конденсатор с плавающей головкой

108

Теплообменники этой группы стандартизованы по условным давле-

ниям р

= 1,6…6,4 МПа, по диаметрам корпуса 325…1400 мм и поверх-

ностям нагрева

10…1200 м

с длиной труб 3...9 м. Масса их достигает

35 т. Теплообменники применяют при температурах до 450 °С.

В теплообменных аппаратах подобного типа трубные пучки сравни

тельно легко могут быть удалены из корпуса

, что облегчает их ремонт,

чистку или замену.

Горизонтальный двухходовой конденсатор типа ТП состоит из кожу-

ха 10 и трубного пучка. Левая трубная решетка 1 соединена фланцевым

соединением с кожухом и распределительной камерой 2, снабженной пе

регородкой 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 сторо-

ны плавающей головки аппарат закрыт крышкой

7. При нагревании

и удлинении трубок плавающая головка перемещается внутри кожуха

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 пред-

назначен для вывода конденсата и имеет меньшие размеры.

Значительные коэффици

енты теплоотдачи при конден

сации практически не зависят

от режима движения среды

Поперечные перегородки меж

трубного пространства этого

аппарата служат лишь для

поддержания труб и придания

трубному пучку жесткости

Аппараты с плавающей го-

ловкой обычно выполняют

одноходовыми по межтруб

ному пространству, однако

установкой продольных пере

городок в межтрубном про

странстве можно получить

многоходовые конструкции

На рис. 2.31

показаны двуххо-

довые по межтрубному про

странству теплообменники

Рис. 2.31. Двухходовой теплообменник типа ТП

с плавающей головкой:

а — цельной; б — разрезной

109

Хотя в аппаратах типа ТП обеспечивается хорошая компенсация

температурных деформаций

, эта компенсация не является полной, по-

скольку различие температурных расширений самих трубок приводит

к короблению трубной решетки

. В связи с этим в многоходовых тепло-

обменниках типа ТП 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 кожу

ха, аппарата, а также минимальный зазор ∆ между кожухом и пучком

труб. Вариант, показанный на рис. 2.32, позволяет извлекать трубный

пучок, но зазор ∆ получается больше (по крайне мере, чем в теплооб-

менниках типа ТН) на ширину фланца плавающей головки. Крепление

по этой схеме наиболее простое; его часто применяют в испарителях

с паровым пространством.

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 теплообмен

ника (рис. 2.33).

Конструкции крепления пла

вающей головки с трубной ре

шеткой, позволяющие легко из

влекать трубный пучок из кожуха

при минимальном зазоре ∆ между

трубным пучком и кожухом, пока

заны на рис. 2.34. В одном из таких

простых соединений использова

ны разрезные фланцы

(рис. 2.34а).

Конструкция включает разрезной

фланец 1

(состоит из двух полуко-

лец, стянутых ограничительным

кольцом

2), уплотняющую про-

кладку

3, крышку 4 плавающей

головки и трубную решетку

Широко распространены со

единения фланцевой скобой

(рис. 2.34б), представляющей со-

бой приспособление типа струб

Рис. 2.32. Вариант размещения

плавающей головки

в кожухе большего диаметра

Рис. 2.33. Вариант размещения крышки

плавающей головки

в кожухе меньшего диаметра

110

цины. Соединение состоит из двух полуколец, охватывающих край

трубной решетки

4 и фланец 3 крышки. Винты 1 должны быть рас-

положены посередине уплотнения, что обеспечивает разгрузку фланца

от изгибающих моментов.

Широко применяют также крепление крышки

3 (рис. 2.34в) и труб-

ной решетки

4 разрезным кольцом 1, половинки которого соединены

между собой накладками

2. В другой конструкции (рисунок 2.34г) на-

кидной фланец

1 удерживается разрезным кольцом 2, вставленным

в паз трубной решетки 3.

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 превы-

шает диаметр трубного пучка

, а перегородки в пучке служат лишь для

увеличения его жесткости.

В испарителе

(рис. 2.35) уровень жидкости в кожухе 11 поддержи-

вается перегородкой

2. Для обеспечения достаточного объема парового

пространства и увеличения поверхности испарения расстояние от уровня

жидкости до верха корпуса составляет примерно 30 % его диаметра. Труб

ный пучок

3 расположен в корпусе испарителя на поперечных балках 4.

Для удобства монтажа трубного пучка в перегородке 2 и левом днище преду-

смотрен люк 10, через который в аппарат можно завести трос от лебедки

Рис. 2.34. Способы крепления крышки плавающей головки к трубной решетке:

а — разрезным фланцем; б — разрезной фланцевой скобой; в — разрезным кольцом; г — разрез-

ным стяжным кольцом