Основы конструирования теплообменных поверхностей теплотехнического оборудования

Одним из наиболее распространенных видов теплотехнического оборудования являются теплообменные аппараты, в частности, кожухотрубные теплообменники. Основными элементами теплообменных поверхностей указанных аппаратов являются трубы, трубные доски и промежуточные перегородки.

Трубные доски.Трубные доски теплообменных аппаратов предназначены для крепления труб поверхностей нагрева и объединения их в трубный пучок. Посредством трубных досок трубное пространство теплообменника отделяется от межтрубного пространства. Трубная доска представляет собой пластину чаще всего круглой, иногда кольцевой или прямоугольной формы.

Размещение труб в трубных досках производится по вершинам равносторонних треугольников, вершинам квадратов или по концентрическим окружностям. В ряде случаев возникает необходимость комбинированного размещения. Наиболее рациональным является размещение по вершинам равносторонних треугольников, при котором при одном и том же шаге труб и диаметре корпуса теплообменника к трубной доске прикрепляется максимальное количество труб. Размещение по вершинам квадратов целесообразно проводить при необходимости чистки межтрубного пространства.

Крепление трубной доски к корпусу аппарата производится либо приваркой к корпусу, либо зажатием ее между стальными фланцами крышки и корпуса с прокладками для герметизации. Основные конструктивные схемы кожухотрубных аппаратов представлены на рис. 6.1.

а		б		в
Рис. 6.1. Основные конструктивные схемы цилиндрических кожухотрубных теплообменников с плоскими трубными досками: а – с прямыми трубами нежесткой конструкции (с компенсатором на корпусе) [может быть жесткой – без компенсатора]; б – с плавающей головкой; в – с U-образными трубами

Трубные доски испытывают действие нагрузки от разности давлений теплоносителей в водяных камерах и межтрубном пространстве. Упругим основанием для трубной доски являются фланцы корпуса и трубки поверхности теплообмена аппарата. Часто трубная доска имеет служащие для ее разгрузки анкерные связи, опирающиеся на крышки водяных камер. Толщина трубной доски определяется из условия прочности на изгиб с учетом ослабления расчетного поперечного сечения пластины отверстиями под трубки и с учетом укрепления трубной доски анкерными связями. Трубные доски изготовляются из стали марок 20К и 22К.

Промежуточные перегородки.Промежуточные перегородки обеспечивают необходимый способ наружного обтекания теплоносителем трубного пучка, повышают скорость движения теплоносителя, протекающего в межтрубном пространстве, препятствуют провисанию и повышенной вибрации трубок, повышают жесткость корпуса аппарата, а в вертикальных аппаратах с конденсацией пара способствуют отводу конденсата и уменьшению средней толщины конденсатной пленки на трубках, что позволяет повысить интенсивность теплообмена. Однако конструкция теплообменника при этом несколько усложняется.

Чаще всего в теплообменных аппаратах применяются сегментные перегородки. Также могут применяться концентрические перегородки (типа «диск–кольцо»). Определение расстояния между соседними перегородками и их положения по отношению к элементам теплообменной поверхности проводится с учетом вибрационных характеристик трубного пучка, а также из соображений получения одинаковой скорости теплоносителя по тракту его движения в межтрубном пространстве.

Поскольку промежуточные перегородки с обеих сторон омываются одним и тем же теплоносителем с одним и тем же давлением, толщина их может быть весьма незначительной. Размещение отверстий для трубок в промежуточных перегородках такое же, как в трубных досках. При этом диаметр отверстий обычно на 0,2…0,4 мм превышает наружный диаметр трубок. В целях снижения интенсивности износа трубок при трении их о края отверстий перегородок, эти края должны быть скруглены.

Фиксация промежуточных перегородок производится либо приваркой их к корпусу в нескольких точках по периметру прилегания, либо с помощью дистанционных трубок. Промежуточные перегородки изготовляются из стали марок 20К и 22К.

Теплообменные трубки и способы их крепления.Трубки поверхности теплообмена – один из наиболее ответственных элементов теплообменных аппаратов. В большинстве конструкций теплообменников используются цельнотянутые бесшовные трубки наружным диаметром 12…30 мм, изготовляемые из цветных металлов и их сплавов (латуни и других медно-никелевых сплавов) или из сталей, чаще всего, нержавеющих. Трубки с меньшим диаметром из-за увеличения трудоемкости изготовления и сборки, а также усложнения очистки аппаратов не находят промышленного применения. Толщина стенки труб составляет в основном 1,0…2,5 мм, реже применяются трубки с толщиной стенки 0,75 мм.

Одним из основных факторов, определяющих надежную работу теплообменников, является обеспечение плотности и прочности соединения трубок с трубными досками. Крепление трубок в трубных досках должно быть герметичным и долговечным во всем диапазоне режимов работы аппаратов, а, кроме того, должно обеспечивать плавный вход охлаждающей воды в трубки во избежание кавитационной эрозии концов трубок и повышенного гидравлического сопротивления, хороший контакт с трубными досками для уменьшения коррозии трубок. Широко применяются следующие типы соединения труб с трубными досками (см. рис. 6.2):

– развальцовка труб в трубной доске;

– сварка труб с трубной доской;

– комбинированное (развальцовка со сваркой или сварка с последующим вальцеванием).

Рис. 6.2. Способы крепления труб в трубных решетках: а – развальцовкой; б – развальцовкой с канавками; в – сваркой; г – пайкой; д – сальниковыми устройствами.

Также иногда могут применяться способы крепления труб в трубной решетке пайкой или посредством сальникового уплотнения.

Развальцовка представляет собой прочное и герметичное соединение, образованное путем раздачи конца трубок вальцами до прочнонапряженного контакта между стенкой трубки и стенкой отверстия в трубной доске. При развальцовке происходит пластическая деформация трубок, при этом внутренний и наружный диаметры трубок увеличиваются, вследствие чего на поверхности сопряжения трубки с доской возникают упругие напряжения, обеспечивающие прочность и плотность соединения.

При развальцовке для получения надежного соединения трубки с трубной доской необходимо выполнение следующего условия

,

(6.1)

где d_вн, – внутренние диаметры трубки до вальцевания и после него; Δ = d_o – d_н – диаметральный зазор между трубкой и трубной доской; d_o – диаметр отверстия в трубной доске; d_н – наружный диаметр трубки до развальцовки; K – коэффициент, учитывающий тип аппарата (чаще всего принимается равным 0,1); δ = (d_н – d_вн)/2 – толщина стенки трубки.

Более высокую степень надежности соединения обеспечивает метод, основанный на применении кольцевых уплотнительных элементов (кольцевых рельефов, канавок), сформированных из металла трубной доски (рис. 6.2, б).

При радиальном деформировании трубки, вставленной в отверстие трубной доски, кольцевой рельеф упругопластически внедряется в материал трубки, что приводит к локальному увеличению контактного давления и как следствие к повышению герметичности и прочности соединения. Этот способ достаточно прост. Формирование кольцевых рельефов производится методом ротационного выкатывания с применением шариковых раскатников.

Совместное использование вальцовки и сварки существенно увеличивает трудоемкость, стоимость и время изготовления аппаратов. Поэтому комбинированное соединение труб с трубными досками применяется только при изготовлении наиболее ответственных теплообменных аппаратов.

Вопросы для самопроверки

1. Для чего предназначены трубные доски в теплообменных аппаратах?
2. Какие существуют способы размещения труб в трубных досках?
3. Для чего предназначены промежуточные перегородки в теплообменных аппаратах?
4. Какую форму могут иметь сегментные перегородки?
5. Назовите основные виды крепления труб к трубным доскам.

Литература

1. Справочник по теплообменным аппаратам паротурбинных установок / Ю.М. Бродов, К.Э. Аронсон, А.Ю. Рябчиков, М.А. Ниренштейн; под общ. ред. Ю.М. Бродова. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 480 с.

2. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры: Справочник / А.А. Лащинский, А.Р. Толчинский. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: “Машиностроение”, 1970. – 752 с.

3. Губарева, В.В. Тепломассообменное оборудование предприятий: учеб. пособие / В.В. Губарева, А.В. Губарев. – Белгород: Изд-во БГТУ им. В.Г. Шухова, 2017. – 200 с.