Типовые конструкции теплообменных аппаратов

В аппаратах, где идет нагрев или охлаждение, происходит теплообмен между двумя потоками, при этом один из них нагревается, другой охлаждается. Поэтому их называют теплообменными аппаратами вне зависимости от того, что является целевым назначением аппарата – нагрев или охлаждение, какие потоки обмениваются теплом, происходит ли при этом только нагрев и охлаждение или же теплообмен сопровождается испарением или конденсацией.
Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. Стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: ТН - с неподвижными трубными решетками; ТК - с температурным компенсатором на кожухе; ТП - с плавающей головкой; ТУ –с U-образными трубами; ТПК - с плавающей головкой и компенсатором на ней (рисунок 1).
В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами испарителями; их изготовляют одно- и многоходовыми.
Кожухотрубчатый аппарат с неподвижной трубной решеткой (типа ТН) представлен на рисунке 2. Такие аппараты имеют цилиндрический кожух 1, в котором расположен трубный пучок 2; трубные решетки 3 с развальцованными трубками крепятся к корпусу аппарата. С обоих концов теплообменный аппарат закрыт крышками 4. Аппарат оборудован штуцерами 5 для теплообменивающихся сред; одна среда идет по трубкам, другая проходит через межтрубное пространство.
Теплообменники этой группы изготовляют на условное давление 0,6…4,0 МПа, диаметром 159…1200 мм, с поверхностью теплообмена до 960 м2; длина их до 10 м, масса до 20 т. Теплообменники этого типа применяют до температуры 350°С.
Рисунок 1 – Основные типы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов: а) с неподвижными решетками (ТН) или с компенсаторами на кожухе (ТК), б) с плавающей головкой (ТП), в) с U-образными трубами
Рисунок 2 - Схема одноходового теплообменного аппарата типа ТН (вертикальном исполнение)
1 - кожух: 2 - трубки: 3 - трубная решетка,4 - крышки: 5 – штуцера
Предусмотрены различные варианты материального исполнения конструктивных элементов теплообменных аппаратов. Корпус аппарата изготовляют из сталей ВСтЗсп, 16ГС или биметаллическим с защитным слоем из сталей 08X13, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т. Для трубного пучка применяют трубы из сталей 10, 20 и Х8 с размерами 25x2, 25x2.5 и 20x2 мм, из высоколегированных сталей 08X13. 08Х22Н6Т, 08Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т с размерами 25x1,8 и 20x1,6 мм, а также трубы из алюминиевых сплавов и латуни. Трубные решетки изготовляют из сталей 16ГС, 15Х5М, 12Х18Н10Т, а также биметаллическими с наплавкой высоколегированного хромоникелевого сплава или слоя латуни толщиной до 10 мм.
Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соединены 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.
Двухходовой горизонтальный теплообменник типа ТН (рисунок 3) состоит из цилиндрического сварного кожуха 5, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, закрепленными в двух трубных решетках З. 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 З.
Рисунок 3 - 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.
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 теплообменники такого типа применяются в тех случаях, когда среда, проходящая через межтрубное пространство, является чистой, не агрессивной, те. 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 температурных напряжений в трубной решетке 5, нарушает плотность вальцовки 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 °С и при сравнительно небольшой длине аппарата
Теплообменные аппараты с температурным компенсатором типа ТК (рисунок 4) имеют неподвижные трубные решетки и снабжены специальными гибкими элементами для компенсации различия в удлинении кожуха и труб, возникающего вследствие различия их температур.
Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК отличается от теплообменника типа ТН наличием между двумя частями кожуха 1 компенсатора 2 и обтекателя З . Обтекатель уменьшает гидравлическое сопротивление межтрубного пространства аппарата; обтекатель прикреплен к кожуху со стороны входа в межтрубное пространство, часто в аппаратах типа ТК используются одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы, изготовляемые обкаткой из коротких цилиндрических обечаек.
Рисунок 4 – Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК
При установке линзового компенсатора на горизонтальных аппаратах в нижней части каждой линзы сверлят дренажные отверстия с заглушками для слива воды после гидравлических испытаний аппарата.
Теплообменники с U-образными трубками типа ТУ имеют одну трубную решетку, в которую завальцованы оба конца U-образных трубок, 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 (рисунок 5) состоят из кожуха 2 и трубного пучка, имеющего одну трубную решетку З и U-образные трубы 1 Трубная решетка вместе с распределительной камерой 4 крепится к кожуху аппарата на фланце.
Рисунок 5 – Теплообменник с U-образными трубками
Теплообменники этого типа могут быть в горизонтальном и вертикальном исполнении. Их изготовляют диаметром 325... 1400 мм с трубами 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 распределительной камере предусмотрена перегородка 5.
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 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.
Преимуществом конструкции аппарата типа ТУ является 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 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 реагентами. Иногда используют гидромеханический способ (подача в трубное пространство потока жидкости, содержащей абразивный материал, твердые шары и др.).
Теплообменные аппараты с плавающей головкой типа ТП (с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным Типом поверхностных аппаратов (рисунок 6). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса В аппаратах этой конструкции температурные напряжения могут возникать лишь при существенном различии температур трубок.
Рисунок 6 – Теплообменник с плавающей головкой (ТП)
Теплообменники этой группы стандартизованы по условным давлениям ру= 1,6...6,4 МПа, по диаметрам корпуса 325... 1400 мм и поверхностям нагрева 10... 1200 м2 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 сравнительно легко могут быть удалены из корпуса, что облегчает их ремонт, чистку или замену.
Горизонтальный двухходовой конденсатор типа ТП состоит из кожуха 10 и трубного пучка. Левая трубная решетка 1 соединена фланцевым соединением с кожухом и распределительной камерой 2,снабженной перегородкой. Камера закрыта плоской крышкой З. 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.
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.
Хотя в аппаратах типа ТП 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 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.
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.

Список используемых источников:
Ахметов, С.А. Технология и оборудование процессов переработки нефти и газа / С.А. Ахметов, Т.П. Сериков, И.Р. Кузеев, М.И. Баязитов // Под. ред. С.А. Ахметова. С. – Петербург.: Недра, 2006. – 871 с.
Таранова, Л.В. Теплообменные аппараты и методы их расчета [Электронный ресурс] : учебное пособие / Л.В. Таранова. — Электрон. дан. — Тюмень : ТюмГНГУ, 2009. — 152 с. 
Тимонин, А.С. Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Учебник для вузов в трех томах / А.С. Тимонин. М.: МГУИЭ, 2002. - 2300 с.
Деменок, С.Л. Теплообмен и гидравлическое сопротивление в трубах и каналах [Электронный ресурс] : учебное пособие / С.Л. Деменок. — Электрон. дан. — Санкт-Петербург : , 2018. — 304 с