Топлообменници с плаваща глава
Теоретична част
ВИДОВЕ ТОПЛООБМЕННИЦИ
2.1.1. Кожухотръбни топлообменници
Те са доста лесни за производство, отличават се със способността да развиват голяма топлообменна повърхност в едно устройство и са надеждни при работа.
Кожухотръбните топлообменници с фиксирани тръбни листове и напречни прегради в пръстена, използвани в химическата, нефтената и други промишлености, се обозначават с индекси и се класифицират:
• по предназначение (първата буква от индекса): Т – топлообменници; X - хладилници; K - кондензатори; I - изпарители;
• по конструкция (втора буква от индекса) – Н – с неподвижни тръбни решетки; K - с температурен компенсатор на корпуса; P - с плаваща глава; U - с U-образни тръби; PC - с плаваща глава и компенсатор върху нея;
• по местоположение (трета буква от индекса): Г – хоризонтален; B е вертикална.
2.1.2. Топлообменници с фиксирани тръбни листове.
Топлообменницитеса предназначени за отопление и охлаждане, ахладилницитеса предназначени за охлаждане (с вода или друг нетоксичен, незапалим и неексплозивен хладилен агент) течни и газообразни среди. Топлообменниците и охладителите могат да се монтират хоризонтално или вертикално, с едно-, дву-, четири- и шестпътни тръби. Тръби, корпуси и други конструктивни елементи могат да бъдат изработени от въглеродна или неръждаема стомана, а тръбите за хладилник също могат да бъдат изработени от месинг. Разпределителните камери и капаците на хладилниците са изработени от въглеродна стомана. Диаграмата на топлообменник с фиксирани тръбни листове е показана на фиг. 6. В корпуса 1 има тръбен сноп, топлообменните тръби2на който са разваленитръбни листове3.Тръбният лист е здраво свързан към корпуса. От краищата корпусът на апарата е затворен от разпределителни камери4и5,Корпусът и камерите са свързани с фланци.
Фигура 6. Топлообменник с фиксиран тръбен лист
За подаване и отвеждане на работна среда (топлоносители) устройството е оборудвано с фитинги. Една от охлаждащите течности в тези устройства се движи през тръбите, а другата - в пръстеновидното пространство, ограничено от корпуса и външната повърхност на тръбите.
Характеристика на устройствата тип H е, че тръбите са здраво свързани към тръбните листове, а прътите са заварени към корпуса. В тази връзка се изключва възможността за взаимно движение на тръбите и корпуса; следователно устройствата от този тип се наричат още твърди топлообменници.
Тръбите в кожухотръбните топлообменници се опитват да бъдат поставени така, че празнината между вътрешната стена на корпуса и повърхността, която обгръща тръбния сноп, да е минимална; в противен случай значителна част от охлаждащата течност може да заобиколи основната топлообменна повърхност. За да се намали количеството охлаждаща течност, преминаваща между тръбния сноп и корпуса, в това пространство се монтират специални пълнители, например надлъжни ленти, заварени към корпуса или глухи тръби, които не преминават през тръбните листове и могат да бъдат разположени директно на вътрешната повърхност на корпуса.
Ако е избрана площта на напречното сечение на тръбното пространство (броят и диаметърът на тръбите), тогава в резултат на топлинното изчисление се определя коефициентът на топлопреминаване и топлообменната повърхност, от които се изчислява дължината на тръбния сноп. Последният може да е по-дълъг от дължината на предлаганите в търговската мрежа тръби. В тази връзка се използват многоходови (през тръбното пространство) апарати с надлъжни прегради в разпределителната камера.Индустрията произвежда дву-, четири- и шестпосочни топлообменници с твърд дизайн.
Двупътен хоризонтален топлообменник тип H (фиг. 7) се състои от цилиндричен заварен корпус8,на разпределителната камера11и два капака4.Тръбният сноп е оформен от тръби 7, фиксирани в два тръбни листа3.Тръбните листове са заварени към корпуса. Капаците, разпределителната камера и корпусът са свързани с фланци. В корпуса и разпределителната камера има фитинги за вход и изход на топлоносители от тръбните (фитинги1, 12)и пръстеновидните (фитинги2, 10)пространства. Преградата13в разпределителната камера образува проходи за охлаждаща течност през тръбите. За уплътняване на кръстовището на надлъжната преграда с тръбния лист е използвано уплътнение14,, положено в жлеба на решетката3.
Фигура 7. Двуходов хоризонтален топлообменник с фиксирана решетка
Тъй като интензитетът на топлообмен с напречен поток около тръбите с топлоносител е по-висок, отколкото с надлъжен, в пръстена на топлообменника са монтирани напречни прегради6,, фиксирани със съединители5, осигуряващи зигзагообразно движение на топлоносителя по дължината на апарата в пръстена. На входа на топлообменната среда в пръстена е предвиден ограничител9 —- кръгла или правоъгълна плоча, която предпазва тръбите от локално ерозионно износване.
Топлообменната повърхност на нормализираните топлообменници и хладилници е дадена в табл. 1.
Кожухотръбнитекондензаториса предназначени за кондензация на пара в пръстеновидното пространство, както и за нагряване на течности и газове поради топлината на кондензацията на парата. Могат да бъдат с фиксирана тръбна ламарина или с температуракомпенсатор на корпуса, вертикален или хоризонтален. В съответствие с GOST 15121-79 кондензаторите могат да бъдат дву-, четири- и шестпътни в тръбното пространство. Те се различават от хладилниците по големия диаметър на фитинга за подаване на пара към пръстена.
За отвеждане на кондензата и предотвратяване на изтичане на пара в дренажната линия за кондензат, топлообменниците, загрявани с наситена пара, трябва да бъдат оборудвани с уловители на кондензат.
В кожухотръбните изпарители течността кипи в тръбното пространство, а в пръстеновидното пространство може да има течност, газообразна пара, пара-газ или пара-течност. Съгласно GOST 15119-79 тези топлообменници могат да бъдат само вертикални еднопроходни, с тръби с диаметър 25x2 mm. Могат да бъдат с фиксирана тръбна решетка или с температурен компенсатор на корпуса. Основните параметри на кожухотръбните кондензатори и изпарители съгласно GOST 15119-79 и 15121-79 са показани в таблица 2.
2.1.3. Топлообменници с температурен компенсатор на корпуса
Ако температурните напрежения, възникващи в стените на топлообменника или тръбите, са големи, тогава е необходимо да се предвиди температурна компенсация.
Фигура 8 Топлообменник тип K - с компенсатор
Топлообменник тип K - С ЛЕЩОВ КОМПЕНСАТОР (фиг. 8) на тялото. В този апарат термичните деформации се компенсират чрез аксиално компресиране или разширение на компенсатора. Топлообменници с лещови компенсатори се използват за малки температурни деформации (не повече от 13-15 mm) и ниско налягане в пръстеновидното пространство (не повече от 0,5 MPa).
За кръгли елементи на устройства с диаметър над 100 mm обикновено се използват компенсатори на лещи, състоящи се от един иповече лещи. Лещите се изработват щамповани или от пръстеновиден тор, направен с прорез, разделен или заварен във вълнообразна форма. Една леща компенсира малки температурни деформации (4 - 5 mm), набор от лещи (не повече от четири) ви позволява да компенсирате деформации до 15 mm.
Компенсаторите на лещите се използват във вертикални и хоризонтални устройства и тръбопроводи при свръхналягане не повече от 1,6 MPa.
Използването на кожухотръбни топлообменници с температурен компенсатор върху корпуса (компенсатор на лещите) е ограничено от максимално допустимото налягане в корпуса, равно на 1,6 MPa. За по-високо налягане в корпуса (1,6-8,0 MPa) трябва да се използват топлообменници с плаваща глава или с U-образни тръби.
Топлообменници с плаваща глава
На фиг. 8 показва кожухотръбен топлообменник с плаваща глава, предназначен за охлаждане (нагряване) на течни или газообразни среди без промяна на агрегатното състояние. Вторият тръбен лист, който не е фиксиран към корпуса, заедно с вътрешния капак, разделящ тръбното пространство от пръстена, образува така наречената плаваща глава.Тази конструкция елиминира термичните напрежения в корпуса и в тръбите. Тези топлообменници, нормализирани в съответствие с GOST 14246-79, могат да бъдат дву- или четириходови, хоризонтални с дължина 3, 6 и 9 m или вертикални с височина 3 m.
Фигура 9 Кожухово-тръбен топлообменник с плаваща глава: 1-капак на разпределителната камера; 2 - разпределителна камера: 3 - корпус; 4-топлообменни тръби; 5 - преграда със сегментиран изрез; 6 - монтаж; 7 - плаващ капак на главата. 8 - капак на корпуса
Кожухотръбните кондензатори с плаваща глава (GOST 14247--79) се различават от подобни топлообменници с голям диаметърфитинг за подаване на пара към пръстена. Допустимото налягане на охлаждащата среда в тръбите е до 1,0 MPa, в междинното пространство - от 1,0 до 2,5 MPa. Тези устройства могат да бъдат дву-, четири- и шестпътни в тръбното пространство. Диаметър на корпуса от 600 до 1400 mm, височина на тръбата 6,0 m.
Лесно се сглобяват топлообменници с постоянен диаметър по цялата дължина. Сглобяването на топлообменници с променлив диаметър по дължина (фиг. 10) е трудно, тъй като сглобената плаваща глава (по отношение на габаритните размери) не може да бъде поставена в корпус без тръба. Топлообменниците с постоянен диаметър нямат този недостатък, тъй като плаващата глава може да се сглобява и разглобява извън и вътре в корпуса. Освен това топлообменниците с постоянен диаметър по дължина са за предпочитане пред топлообменниците с променлив диаметър, тъй като не е необходимо плаващата глава да се разглобява при почистване на пръстена им.
Фигура 10 Топлообменник с плаваща глава
За ефективна работа на топлообменника е желателно средната част да бъде направена с най-малък диаметър; това осигурява най-висока скорост на продукта и следователно създава оптимални условия за пренос на топлина. Това е причината за производството на топлообменници с променлив диаметър по дължина. Въпреки това има смисъл да се намали диаметърът на средната част на апарата само ако плаващата глава е със значителни размери. Когато се използва малка плаваща глава, няма нужда да се произвеждат топлообменници с променлив диаметър. Малката по размери плаваща глава е свободно разположена в най-малката част на корпуса.