Кожухотрубные теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты (ТА) – это устройства, предназначенные для нагревания, охлаждения или для изменения агрегатного состояния теплоносителя. В ТА один теплоноситель (теплоотдающий) передает теплоту другому теплоносителю (тепловоспринимающему). Если передача теплоты происходит при изменении агрегатного состояния какого-либо теплоносителя (кипение, конденсация), то его температура в процессе теплопередачи остается постоянной. В остальных случаях температуры теплоносителей в ТА изменяются.

В основу классификации ТА могут быть положены различные признаки. Рассмотрим классификацию по функциональным и конструктивным признакам, а также по схемам тока теплоносителей.

Функциональные признаки

По принципу работы ТА могут быть разделены на две большие группы: поверхностные и контактные.

В поверхностных ТА теплоносители (горячий и холодный) омывают поверхность твердой стенки или тела. Поверхностные ТА разделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных ТА обменивающиеся теплотой теплоносители 1 и 2 протекают одновременно и передача теплоты происходит через разделяющую их стенку 3 (рис. 1.1, a). Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть один из теплоносителей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения.

Рис. 1.1. Типы теплообменных аппаратов

В регенеративных ТА (см. рис. 1.1, б, в) одна и та же поверхность теплообмена 3 через определенные промежутки времени омывается то горячим 1, то холодным 2 теплоносителями. Сначала поверхность отбирает теплоту от горячей среды и нагревается, затем поверхность отдает теплоту холодной среде. Таким образом, в регенеративных ТА теплообмен всегда происходит в нестационарных тепловых условиях, тогда как рекуперативные ТА большей частью работают в стационарном тепловом режиме.

В качестве поверхности теплообмена в регенеративных ТА используется теплоаккумулирующая насадка, элементы которой (например, в виде шаров, решеток, колец) образуют каналы сложной формы для прохождения теплоносителей. Поверхность теплообмена регенеративного ТА может быть выполнена переключающейся (см. рис. 1.1, б) через определенный промежуток времени или вращающейся (см. рис. 1.1, в).

В контактных ТА передача теплоты от греющего теплоносителя к нагреваемому происходит при их непосредственном контакте.

Контактные ТА делятся на с м е с и т е л ь н ы е  и  б а р б о т а ж н ы е. В аппаратах смесительного типа (см.рис. 1.1, г) нагреваемый 2 и греющий 1 теплоносители перемешиваются. В барботажных аппаратах греющий теплоноситель прокачивается через нагреваемый, или наоборот, не смешиваясь с ним. В барботажном ТА (см.рис. 1.1, д) горячий воздух 1 направляется в теплообменные элементы 4, по внутренней цилиндрической поверхности закрученным тонким слоем стекает вода 2. Воздух, проходя через слой воды, разрывает ее поток на отдельные пленки и при непосредственном контакте с водой охлаждается.

В ТА нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого. Исключение составляют теплообменники с внутренним тепловыделением, в которых теплота выделяется в самом аппарате и идет нагрев теплоносителя. Это разного рода электронагреватели и реакторы.

Если в ТА теплота от горячего теплоносителя рассеивается излучением, то они называются излучателями или радиационными теплообменниками.

По роду теплоносителей различают ТА: жидкость – жидкость; пар – жидкость; газ – жидкость; пар – пар; пар – газ; газ – газ.

В зависимости от изменения агрегатного состояния теплоносителей ТА делят на: без изменения агрегатного состояния; с изменением агрегатного состояния одного теплоносителя; с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей.

В ТА могут протекать различные процессы теплообмена: нагрев; охлаждение; кипение; конденсация; вымораживание; ректификация и т.д. В зависимости от этих процессов ТА называют: подогреватели, охладители, испарители, конденсаторы и т.д.

По характеру движения теплоносителей относительно теплопередающей поверхности ТА делят на два типа: с естественной и с принудительной циркуляцией теплоносителей.

К ТА с естественной циркуляцией относятся испарители, выпарные аппараты, водогрейные котлы, у которых теплоноситель движется благодаря разности плотностей жидкости и образующейся парожидкостной смеси в трубах циркуляционного контура.

К ТА с принудительной циркуляцией относятся, например, рекуперативные теплообменники, в которых теплоносители движутся за счет внешних сил, создаваемых компрессорами, насосами, вентиляторами.

По роду теплового режима ТА могут быть со стационарными и нестационарными процессами теплообмена. Рекуперативные ТА в основном работают в установившемся стационарном режиме, а регенеративные – в нестационарном режиме.

1.2. Конструктивные признаки

По виду (конфигурации) поверхности теплообмена рекуперативные ТА делят на: кожухотрубные с прямыми гладкими трубами; кожухотрубные с U-образными трубами; кожухотрубные с оребренными трубами; секционные «труба в трубе»; змеевиковые; спиральные; пластинчатые; пластинчато-ребристые; ламельные.

Регенеративные ТА различают по виду насадки. При низких температурах в криогенных ТА в качестве элементов насадки часто используется алюминиевая гофрированная лента (см. рис. 1.2, а). При намотке на диски двух лент образуются извилистые каналы, конфигурация которых способствует интенсификации процессов теплообмена. При умеренных и низких температурах устанавливают сетчатую насадку (см.рис. 1.2, б) из материала с высокой теплопроводностью (медь, латунь).

Рис. 1.2. Типы насадок регенеративных ТА

Для уменьшения гидравлического сопротивления в низкотемпературных регенеративных ТА применяется насадка (см. рис. 1.2, в), металлические пластины и каналы которой в виде усеченной пирамиды равномерно распределены по всему сечению. В криогенных и металлургических ТА используют насадку в виде шариков или гранул диаметром 6…12 мм (см. рис. 1.2, г), изготовленных из материала с большой теплоемкостью и обладающих повышенной жаростойкостью (оксиды алюминия, магния, кварцит и т.п.). В высокотемпературных регенеративных ТА насадка часто выполняется решетчатой из огнеупорного кирпича разной формы (см. рис. 1.2, д). В некоторых аппаратах насадку делают из колец Рашига (см. рис. 1.2, е).

По способу компенсации температурных удлиненийрекуперативные ТА классифицируют: без компенсации (жесткая конструкция); с компенсацией упругим элементом (полужесткая конструкция); с компенсацией в результате свободных удлинений (нежесткая конструкция).

В ТА жесткой конструкции (см.рис. 1.3, а) теплообменные трубы 3 и кожух 2 соединены жестко с трубными решетками 6.

Рис.1.3. Схемы рекуперативных ТА с различными способами компенсаций температурных удлинений: 1- распределительная камера; 2 – кожух; 3 – теплообменные трубы; 4 – опора; 5 – задняя крышка; 6 – трубная решетка; 7 – компенсатор

Для полужесткой конструкции (см. рис. 1.3, б) на кожухе 2 предусмотрены специальные компенсаторы температурных деформаций, выполненные в виде гофр. Такие аппараты применяют в тех случаях, когда возникающие температурные напряжения в трубах и кожухе вследствие разности температур не превышают допустимые.

В ТА нежесткой конструкции (см. рис. 1.3, в, г, д) трубы и кожух могут свободно перемещаться относительно друг друга благодаря применению U-образных труб (см. рис. 1.3, в) подвижной (плавающей) трубной решетки 6   (см. рис. 1.3, г) и подвижной трубной решетки 6 и компенсатора 7 на ней       (см. рис. 1.3, д).

По виду кожуха, ограничивающего теплопередающую поверхность, рекуперативные ТА делят на: с коробчатым кожухом; кожухотрубные; кожухотрубные с компенсатором на кожухе; не имеющие огранивающего кожуха (оросительные аппараты).

По ориентации теплопередающей поверхности в пространстве ТА могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными.

По принципу монтажа ТА разделяют на автономные, навешенные и встроенные.

По оборудованию и обвязке можно выделить аппараты: не имеющие оборудования и обвязки; покрытые изоляцией; оборудованные контрольно-измерительной аппаратурой и приборами автоматики и т.д.

По числу теплоносителей (потоков) (рис. 1.4) ТА разделяют на двух (см. рис. 1.4, а), трех (см. рис. 1.4, б) и многопоточные (см. рис. 1.4, г). В отдельных случаях к многопоточным ТА относят системы, состоящие из нескольких теплообменников обычного типа, соединенных циркулирующим промежуточным теплоносителем 3 (см. рис. 1.4, в). Многопоточные ТА имеют обычно чередующиеся слои компактной теплообменной поверхности (см. рис. 1.4, г).ТА с промежуточным теплоносителем используют в газотурбинных установках (ГТУ), так как им легко придать необходимую (по условию компоновки ГТУ) форму.

Рис. 1.4. Схемы ТА в зависимости от числа теплоносителей: а – двухпоточный; б – трехпоточный; в – с промежуточным теплоносителем; г - многопоточный; 1-6 – потоки

Одним из оригинальных устройств, использующих в качестве промежуточного теплоносителя пар и его конденсат, является герметичная труба, заполненная частично жидкостью, а частично паром (рис. 1.5). Такое устройство называется тепловой трубой, способной передавать большие тепловые мощности (в 1000 раз больше, чем медный стержень таких же размеров).

Рис. 1.5. Схема работы тепловой трубы с возвратом конденсата под действием гравитационных сил (термосифон)

В прямоточном теплообменнике теплоносители движутся параллельно друг другу в одном направлении. При значительном изменении температуры теплоносителей располагаемая разность температур в прямоточных ТА используется плохо. В этом случае, если эффективность передачи теплоты является определяющим фактором при проектировании, такого типа ТА не применяют. Однако температура теплопередающей стенки в таких ТА оказывается более однородной, чем при противотоке.

В зависимости от взаимного направления потоков теплоносителей различают схемы (рис. 1.6): прямоток, противоток, перекрестный ток, смешанный ток, а также сложные схемы тока.

Рис. 1.6. Схемы тока теплоносителей:

а – прямоток; б – противоток; в – перекрестный ток;

г – смешанный ток; д – многократный перекрестный ток; e, ж – сложные схемы

Следует подчеркнуть, что перечисленные схемы теплоносителей представляют собой некую идеализацию реальных ситуаций. На практике никогда нельзя достигнуть течения теплоносителя, совпадающего с идеальным вариантом.

В противоточных ТА два теплоносителя движутся параллельно друг другу, но в противоположных направлениях (см. рис. 1.6, б). Противоточные ТА наиболее эффективны: они обеспечивают наилучшее использование располагаемой разности температур; в них также может быть достигнуто наибольшее изменение температуры каждого носителя. Прямоточная схема (см. рис.1.6, а), как правило, наименее эффективна.

В ТА перекрестного тока два теплоносителя движутся под прямым углом друг к другу (см. рис. 1.6, в). Например, первый поток может течь внутри труб, собранных в пучок, тогда как второй поток может двигаться в пространстве между трубами в направлении, в целом перпендикулярном оси этих труб. По эффективности эти ТА занимают промежуточное положение между ТА с прямотоком и ТА с противотоком. Исходя из практических соображений, связанных с подачей теплоносителей к поверхностям теплообмена, то такие ТА сконструировать проще, чем указанные выше.

Теплообменники со смешанным током (см. рис. 1.6, г) и с многократным перекрестным током (см. рис. 1.6, д) можно рассматривать как компромиссный вариант между требованием высокой эффективности аппарата и простотой конструкции. Чем больше число ходов в таком теплообменнике, тем ближе он по экономичности к противоточному варианту. Также встречаются и более сложные схемы движения теплоносителей (см. рис. 1.6, е, ж).

Схемы однократного и многократного перекрестного тока можно подразделить на три группы в зависимости от наличия градиента температуры теплоносителя в сечениях ТА, нормальных к направлению движения теплоносителя. Если, например, жидкость протекает внутри труб, а газ движется перпендикулярно к трубному пучку и может свободно перемешиваться в межтрубном пространстве, то его температура в сечении, нормальном к направлению движения, выравнивается. Поскольку жидкость проходит внутри труб отдельными не перемешиваемыми между собой потоками, в сечении пучка всегда имеет место градиент температур. В рассмотренном примере газообразный теплоноситель считается идеально перемешанным, а жидкость внутри труб абсолютно не перемешанной. С этой точки зрения возможны следующие случаи: оба теплоносителя идеально перемешаны и градиенты их температур в поперечном сечении равны нулю; один из теплоносителей идеально перемешан, а другой абсолютно не перемешан; оба теплоносителя абсолютно не перемешаны.

Характер изменения температур теплоносителей в рекуперативных ТА зависит от фазовых превращений в теплоносителях и от схемы их тока  (рис. 1.7): постоянная температура (t₁ и t₂) обоих теплоносителей, равная температуре t_s1 и t_s2 (см. рис. 1.7, а), например конденсаторы испарители индивидуальных веществ; постоянная температура одного теплоносителя (см. рис. 1.7, б, в), например конденсаторы и испарители индивидуальных веществ; переменная температура обоих теплоносителей (см. рис. 1.7, г, д).

Рис. 1.7. Изменение температуры теплоносителей в рекуперативном ТА: а – при фазовых превращениях обоих теплоносителей (конденсация одного, испарение другого); б – при испарении нагреваемого теплоносителя; в – при конденсации греющего теплоносителя; г – при прямоточном движении теплоносителей без фазовых превращений; д – при противоточном движении теплоносителей без фазовых превращений

В регенеративных ТА, где греющий и нагреваемый теплоносители проходят через насадку поочередно, реализуются две схемы движения – прямоток и противоток. Эффективность аппарата при противотоке теплоносителей выше, чем при прямотоке.

Кожухотрубные теплообменные аппараты

Устройство кожухотрубныхтеплообменных аппаратов. Кожухотрубные аппараты изготавливают жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции; одно- и многоходовыми; прямоточными, противоточными и поперечноточными; горизонтальными и вертикальными. Они просты по конструкции и, как правило, имеют невысокую стоимость.

Кожухотрубные ТА состоят из пучка труб 3 (см. рис. 1.3), жестко закрепленных в трубных решетках 6, кожуха 2, крышек 5 с фланцами, образующими распределительные камеры, опор 4 и перегородок, расположенных в межтрубном пространстве. На кожухе и крышках установлены технологические патрубки и штуцера. В зависимости от назначения аппарата конструкция основных узлов и используемые материалы могут существенно отличаться.

Трубы. Наиболее компактные трубные пучки рекуперативных ТА изготавливают из гладких труб наружным диаметром d и толщиной стенки 6х0,5; 8х1; 10х1; 12х1 мм, однако очистка таких труб затруднена. Поэтому в ТА машиностроения используют трубы 14х1; 14х1,5; 16х0,75; 16х1; 16х1,5; 19х1; 22х2; 24х1; 32х4 и др.

Оребренные трубы применяют в аппаратах воздушного охлаждения (АВО), в охладителях надувочного воздуха (ОНВ) дизелей, в охладителях масла (ОМ) дизелей и газотурбинных двигателей, в холодильных конденсаторах и аппаратах специального назначения.

Для изготовления трубных пучков ТА используются: медь, латунь, медно-никелевые сплавы, сталь, алюминий и алюминиевые сплавы.

Закрепление концов труб (табл. 1.1). Наиболее распространенным способом закрепления труб 2 в отверстиях трубных решеток 1 является вальцовка – прочноплотное соединение, образующееся в результате деформации трубы в радиальном направлении под действием силы, создаваемой вальцовочным инструментом. Для обеспечения осевой прочности пучка в отверстиях трубных решеток 1 выполняют как минимум две кольцевые расширительные канавки 3 шириной 2…3,5 мм и глубиной 0,4…1 мм. При конической развальцовке входного участка труб 2 снижается коэффициент местного гидравлического сопротивления, а следовательно, вероятность эрозии на этом участке ввиду предотвращения отрыва потока на входной кромке.

Способы закрепления концов труб в трубной решетке Таблица 1.1

Способ	Схема		Способ	Схема
1). Вальцовка при использовании двух кольцевых расширительных канавок в трубной решетке			6).Сварка: со швом, валиком и валиком с канавкой
2).Коническая развальцовка входного участка трубы			7).со швом канавкой
3).с зубчатым швом			8).с конической раззенковкой в трубной решетке с наружной стороны
4).взрывом			9).с плавно очерченным входным участком
5).Автоматическая сварка плотным швом: без раззенковки отверстия в трубной решетке с наружной стороны

Передовой технологией закрепления труб является их взрывное вальцевание (см. табл. 1.1, способ 4), при котором взрывной заряд помещается внутри трубы в толще трубной решетки. С помощью детонатора заряд подрывается, энергия взрыва затрачивается на деформацию трубы в радиальном направлении, в результате чего даже толстостенные трубы образуют с трубной решеткой весьма прочное соединение, которое трудно получить обычной вальцовкой (см. табл. 1.1, способ 1). При этом требования к геометрии трубы отверстия существенно снижаются, что позволяет использовать способ взрывного вальцевания при ремонте труб. Применяют также электрогидравлический способ развальцовки труб.

Если трубы подвержены вибрации, циклическому нагреву, большим перепадам давления или на концах труб может возникнуть тепловой удар, то концы труб следует приваривать к трубной решетке. Шов 4 (см. табл. 1.1, способ 3, 6, 7) может быть зубчатым утопленным, валиком и валиком с канавкой, канавкой (применяется при тонких трубных решетках).

Сварка взрывом отличается от взрывной вальцовки мощностью заряда, требует конической раззенковки отверстия трубной решетки с наружной стороны и большой высоты выступающей части трубы над трубной решеткой (см. табл. 1.1, способ 2, 8). Хотя соединение получается прочное, в зазоре труба – коническое отверстие возможно возникновение щелевой коррозии.

При использовании автоматической сварки плотным швом (см. табл. 1.1, способ 5) развальцовочные канавки не выполняются.

Лучшее соединение получается, когда передняя часть трубы взрывом приваривается к трубной решетке, а остальная часть трубы развальцовывается взрывом по толщине трубной решетки.

Перегородки. В кожухотрубных ТА один теплоноситель течет внутри труб, другой – в межтрубном пространстве. При поперечном обтекании пучков труб достигается более интенсивная теплоотдача, чем при продольном. Для крепления труб с целью предотвращения их прогибов и вибраций, а также для организации поперечного обтекания труб в межтрубном пространстве и получения более высокой скорости жидкости внутри кожуха устанавливают поперечные перегородки (рис. 1.8). Наиболее распространены односторонние сегментные перегородки 1 и 2 (см. рис. 1.8, а), перегородки типа диск-кольцо 3 и 4 (см. рис. 1.8, б) и двусторонние сегментные перегородки 5 и 6 (рис. 1.8, в). Кроме того, применяют перегородки, перекрывающие трубный пучок, сегментные перегородки тройного расположения и др. Двусторонние сегментные перегородки и сегментные перегородки тройного расположения применяют для уменьшения потерь давления Δр, при этом может быть получено снижение Δр на 60…100 %.

Рис. 1.8. Типы поперечных перегородок

Вырез в перегородке, через который теплоноситель перетекает из одного отсека в другой, называется окном перегородки. Отношение высоты h окна к внутреннему диаметру D_вн кожуха для односторонних сегментных перегородок обычно h/D_вн = 0,15 ÷ 0,40, для двусторонних сегментных перегородок h/D_вн = 0,20 ÷ 0,30.

Уплотнение трубного пучка в кожухе ТА осуществляется различными способами (рис. 1.9). Для предотвращения вредных перетечек через радиальные зазоры кожух – поперечная перегородка, снижающих иногда перепад температур теплоносителей вдвое, по периферии перегородок наиболее часто устанавливают уплотнительные сегменты из упругодеформируемого материала, например, из маслобензостойкого пластика. Толщина уплотняющего листа составляет 2…5 мм, напуск за пределы наружного диаметра – 10…15 мм. Один из вариантов крепления уплотнительных сегментов показан на рис. 1.9, а.

Рис. 1.9. Схемы уплотнения трубного пучка в кожухе ТА:

1 – кожух; 2 – пластиковый лист; 3 – поперечная перегородка;4 – крепежные детали; 5 – стяжной стержень; 6 – уплотняющий лист;7 – вытеснитель; 8 – пакет уплотняющих полос; 9 – продольная перегородка.

При сборке ТА на операции надвигания кожуха 1 на трубный пучок края уплотнительного пластикового листа 2 отгибаются в соответствии с формой кожуха и уплотняют зазор.

Для повышения жесткости трубного пучка и нужного дистанционирования поперечных перегородок используется система стяжных стержней 5 и распорок (см. рис. 1.9, б). Круглые металлические стержни 5 одним концом ввинчивают в неподвижную трубную решетку, а другим закрепляют на последней перегородке 3 контрагайками.

Во избежание протечек между кожухом и трубным пучком в окружном направлении устанавливают закрепленные на перегородках листы 6 (см. рис. 1.9, в) или вытеснители уплотняющие 7 (см. рис. 1.9, г).

В некоторых ТА используют перегородки продольного типа, с помощью которых реализуется схема смешанного тока или, если число ходов в трубах совпадает с числом продольных ходов в межтрубном пространстве, схема противотока. При закрепленных трубных решетках продольную перегородку иногда приваривают к кожуху. Но при использовании U-образных труб или подвижных трубных решеток продольную перегородку обычно приваривают к неподвижной трубной решетке. В этом случае зазоры между продольной перегородкой и кожухом необходимо тщательно уплотнять. Типичный пример такого уплотнения – пакет 8 уплотняющих полос из коррозионно-стойкой стали (см. рис. 1.9, д).

Перегородки в полости крышек. Для повышения скорости теплоносителя в трубах в полости крышек ТА устанавливают перегородки. При этом создается большое число ходов – участков теплообменной поверхности, в пределах которых теплоноситель в трубах движется в одном и том же направлении от одной трубной решетки к другой.

В двухходовом ТА в полости крышки со стороны неподвижной решетки выполняется одна перегородка, обеспечивающая течение жидкости через половину труб в одном направлении. Пройдя этот ход, жидкость поворачивает в полости противоположной крышки и возвращается через другую половину труб к выходному патрубку, который, как и входной, расположен на крышке со стороны неподвижной трубной решетки. Изменяя число перегородок в полостях крышек ТА, можно получить требуемое число ходов теплоносителя в трубах. Перегородки или приваривают, или отливают как одно целое с крышками.

Компоновка труб. В кожухотрубных ТА трубы могут быть расположены по сторонам шестиугольников (равносторонних треугольников) или по концентрическим окружностям (табл. 1.2).

Компоновка труб в трубном пучке Таблица 1.2.

Компоновка	Схема	Характеристика
Треугольная		Число труб nтр = 3 аN (аN + 1) + 1, где S1 = S2 = S = =(1,2 ÷ 1,4)d, но не менее S = d + 6 мм
По концентрическим окружностям		S1 = S2 = S
Коридорная		S1 = S2 и S1 ≠ S2
Шахматная: с равномерным поперечным шагом		S = (1,3–1,8)d при вальцовке и S = (1,25÷1,3)d при сварке
с неравномерным

Примечание: а_N – порядковый номер шестиугольника, считая от центра.

В ТА с кожухом коробчатого типа компоновка труб (см. табл. 1.2) может быть: коридорной; шахматной, частным случаем которой является треугольная. При такой компоновке труб при одном и том же шаге можно разместить наибольшее число труб на единице площади; с неравномерным поперечным шагом.

Трубные решетки. Площадь трубной решетки одноходового по трубам рекуперативного ТА, необходимая для размещения труб, при треугольной разбивке равна:

                                                             (1.1)

В многоходовых теплообменниках площадь трубной решетки больше рассчитанной по формуле (1.1) вследствие установки перегородок в крышках и наличия мест, где трубы не установлены по технологическим условиям. Это учитывается коэффициентом заполнения трубной решетки Ψ_з=0,7 ÷ 0,85. Чем больше ходов в аппарате, тем меньше значение Ψ_з. В аппаратах с U-образными трубами принимается Ψ_з=0,6 ÷ 0,65. Внутренний диаметр кожуха многоходового аппарата

                                                    (1.2)

Толщина трубной решетки рассчитывается из условий прочности, но при вальцовке труб должна быть δ_min ≥ 5+0,125d для стальной трубы и δ_min ≥ 10 + 0,2d для медной. При иных способах закрепления труб из других материалов минимальная толщина трубной решетки должна быть равна диаметру труб с учетом допуска на коррозию. Материал трубных решеток и труб выбирают одновременно с точки зрения стойкости к контактной электрохимической коррозии. В случае применения сплавов меди особенно важно избежать образования гальванических пар.

В последнее время получили распространение трубные решетки из углеродистой или низколегированной стали, покрытые плакирующим слоем требуемого металла со стороны межтрубного пространства или полости крышки и слоем из органического материала с противоположной стороны. Органические покрытия наносят прежде всего на поверхности, контактирующие с охлаждающей водой. Наиболее часто используют эпоксидную, спеченную феноловую или эпоксифеноловую смолу.

Типичные способы соединения неподвижных трубных решеток 2 с фланцем 3 кожуха показаны в табл. 1.3.

Направление течения теплоносителей. Вопрос о том, какой из теплоносителей направлять в трубы или межтрубное пространство, должен решаться с точки зрения не только интенсификации теплообмена, но и надежности работы ТА. Если теплоноситель вызывает коррозию или механическое повреждение труб, то лучше его пропустить внутрь труб, так как экономичнее выполнить трубы из материала высокой стоимости, чем кожух. В трубы целесообразно направлять теплоноситель под бóльшим давлением, чем в межтрубном пространстве, чтобы не делать толстостенный кожух, а также более загрязненный, так как трубы очистить легче, чем межтрубное пространство.

Скорость теплоносителя в межтрубном пространстве

и вибрация труб

Скорость w движения теплоносителя в межтрубном пространстве трубчатых ТА оказывает существенное влияние на теплоотдачу, потери давления, загрязняемость и вибрацию труб. Для различных течений характерны следующие соотношения: для ламинарного α ~ w^0,3; Δp ~ w; α ~ Δp^0,3; для турбулентного α ~ w^0,6…0,8; Δp ~ w^1,6…1,8; α ~ Δp^0,4. Ориентировочные значения скорости теплоносителей, рекомендуемые на основе опыта эксплуатации рекуперативных ТА различного назначения и технико-экономических расчетов, приводятся в справочной литературе.

Для повышения теплоотдачи и уменьшения загрязнений скорость нужно увеличивать, а для снижения потерь давления и предотвращения нежелательных последствий вибрации труб – уменьшать.

Типичные способы соединения неподвижных трубных решеток с фланцем кожуха          Таблица 1.3.

Схема соединения	Характеристика	Область применения
	Двойные трубные решетки. Трубы 5 в развальцованы в обеих трубных решетках 2 и 3. Нижняя трубная решетка 3 приварена к кожуху и является его фланцем	Рекуперативные ТА, в межтрубном пространстве которых циркулирует находящаяся под высоким давлением агрессивная или загрязняющая окружающую среду жидкость
	Соединения типа выступ (с обеих сторон трубной решетки 2) – впадина (во фланцах 3 кожуха и 4 крышки)	При предъявлении повышенных требований к надежности соединения
	Соединения типа шип – паз	То же
	Соединения типа выступ – впадина с кольцевой проточкой 6 во фланцах 3 и 4 к трубной решетке 2.	То же
	Соединения типа выступ (в трубной решетке 2) – впадина (во фланце 4 крышки). Уплотнение обеспечивается с помощью шпилек	Рекуперативные ТА с давлением внутри кожуха менее 1 МПа

При омывании потоком теплоносителя одиночных труб возникают нестационарные гидродинамические силы, которые возбуждают вибрацию труб. Вибрация труб может быть обусловлена вихревым возбуждением при поперечном обтекании труб; возбуждением турбулентными пульсациями потока; гидроупругими и акустическими (в газообразных средах) возбуждениями.

Защита от электрохимической коррозии и коррозионной эрозии. Электрохимическая коррозия возникает в случае применения материалов с различными значениями электрохимического потенциала, работающих на морской воде. Морская вода выступает в качестве электролита металлов с разными потенциалами. При электрохимической реакции происходят окисление металла и восстановление водорода или кислорода, выделение металлов из раствора и т.п.

В случае разрушения защитной пленки на поверхности металла вследствие поперечных касательных напряжений, возникающих при большой скорости течения, а также на входе в трубы при существенной турбулизации потока (воздействие на конец трубы) проявляется коррозионная эрозия в виде язвин.

Для защиты от коррозии и кавитационной эрозии помимо поддержания требуемых температуры и скорости потока применяют протекторы, которые при электрохимическом контакте двух различных металлов являются анодом, а защищаемые металлы – катодом. Материал анода (протектора) должен иметь более низкий электрический потенциал, чем материал, из которого изготовлены крышки, трубы и трубные решетки, тогда анод растворяется в электролите (разрушается) быстрее, насыщая электролит (в данном случае морскую воду) соединениями, замедляющими коррозию и эрозию.

Мы поможем в написании ваших работ!