Теплообменные аппараты. Определение температурных усилий и напряжений в корпусе и трубках ТА типа ТН (Привести расчетную схему, формулы без вывода.Анализ формул).

Теплообменные аппараты применяются для нагревания, охлаждения, конденсации и испарения различных жидких, газообразных и газожидкостных сред (теплообменники, подогреватели, конденсаторы, холодильники, кристаллизаторы).

Передача тепла в теплообменниках осуществляется от среды, имеющей более высокую температуру к среде с более низкой температурой. Движущей силой при теплообмене является разность температур сред. Теплообмен осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и теплоизлучения. В большинстве случаев среды в теплообменных аппаратах не смешиваются между собой и отделены друг от друга листом (в спиральных, пластинчатых аппаратах и аппаратах с рубашкой или стенкой труб (в кожухотрубчатых аппаратах), их движение осуществляется параллельно или противотоком по двум и более (при нескольких теплоносителях) пространствам аппарата.

Такие теплообменные аппараты называются поверхностными.

Аппараты, в которых теплообмен между средами осуществляется путем их непосредственного соприкосновения, называются теплообменными аппаратами смешения. Такие теплообменники имеют весьма ограниченное применение на технологических установках нефтеперерабатывающих заводов.

Весьма важен правильный выбор ТОА по типу, размерам, массе, с точки зрения монтажа, ремонта и эксплуатации.

Следует иметь ввидупри выборе теплообменников, что:

1) коэффициент теплопередачи сильно зависит от чистоты стенки поверхности теплообменника на всем протяжении рабочего цикла. Для устранения загрязнений:

а) применяют ингибиторы коррозии;

б) подбирают скорости потоков с тем, чтобы на стенках труб не осаждалась эмульсия;

в) выбирают другие типы теплообменников, например, вместо кожухотрубчатых – труба в трубе, погружные и так далее.

2) необходимо обеспечить равномерное движение по всему сечению затрубного и трубного пространства.

При малом расходе жидкости и большом сечении распределительной коробки одна из сред будет проходить не по всем трубам, а только по пути наименьшего сопротивления. Для равномерного распределения потоков необходимо уменьшить живое сечение для потоков и создавать подпор в распределительной камере.

3) при работе кожухотрубчатых теплообменников, конденсаторов-холодильников необходимо учесть тот факт, что в случае их остановки в зимних условиях несвоевременный дренаж жидкости из аппарата может привести к размораживанию трубок. Поэтому необходимо предусмотреть дренажное устройство или применять холодильники погружного типа.

4) на современных крупных технологических установках поверхности теплообмена измеряются десятками тысяч кв. метров, поэтому требуются новые более интенсивные по обмену тепла теплообменники. Созданы теплообменники, трубы которых имеют продольные, поперечные, спиральные ребра и так далее.

Основные требования, предъявляемые к теплообменникам:

1) достижение максимального коэффициента теплопередачи при минимальном гидравлическом сопротивлении. Это позволяет уменьшить расход металла, вес, габариты, стоимость теплообменного аппарата.

Обычно чем больше гидравлическое сопротивление, тем больше коэффициент теплопередачи (при прочих равных условиях). Минимальное гидравлическое сопротивление уменьшает потребляемую мощность насосов или компрессоров, снижает расходы на перекачку теплоносителей.

Эти два требования противоречат друг другу, поэтому должен находиться оптимальный вариант;

2) малая засоряемость поверхности, то есть удобство очистки, осмотра и ремонта;

3) обеспечение герметичности поверхности теплообмена во избежании смешивания теплоносителей;

4) обеспечение надежной работы путем правильного выбора материала поверхности, места ввода теплоносителей, чтобы устранить опасную поверхностную эрозию;

5) надежность компенсации температурных напряжений;

6) компактность, она определяется отношением поверхности теплообмена F к объему V теплообменного аппарата .

Типы, основные параметры и размеры ряда стальных теплообменных аппаратов стандартизированы.

Основная часть теплообменников нефтеперерабатывающих установок относятся к кожухотрубчатым.

Мы будем рассматривать лишь кожухотрубчатые теплообменники. Общим для них является то, что они состоят из цилиндрического корпуса (кожуха), помещенных в нем трубного пучка и трубных решеток.

В основу классификации кожухотрубчатых теплообменников положен способ компенсации температурных напряжений и деформаций.

Конструктивно указанные аппараты выполняются следующих типов:

а) с неподвижными трубными решетками (ТНА);

б) с линзовым компенсатором на корпусе (ТЛ);

в) с плавающей головкой (ТП);

г) с U – образными теплообменными трубками (ТУ).

Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками (теплообменники жесткой конструкции) состоят из пучка труб, собранных в двух трубных решетках, который вместе с ними жестко закреплен в корпусе теплообменника.

Недостатком является плохая восприимчивость к температурным напряжениям. При различных температурах нагрева корпуса и труб возникают температурные усилия, которые могут привести к нарушению развальцовки и продольному изгибу труб. В связи с этим теплообменники жесткого типа применяются обычно при .