Разборка теплообменника. Его основные части

Поверхность теплопередачи: ядро ​​теплообмена

   

Поверхность теплопередачи — это физический барьер, через который тепловая энергия переходит от одной жидкости к другой. Конструкция и материал этого компонента имеют решающее значение для эффективности и долговечности теплообменника. Двумя наиболее распространёнными конструкциями являются трубчатые и пластинчатые.

Трубки

Трубы являются основным теплообменным элементом кожухотрубчатых теплообменников. Производители изготавливают их двумя основными способами. Бесшовные трубы изготавливаются из цельной металлической заготовки, которая нагревается и прессуется в непрерывную бесшовную трубу. Сварные трубы изготавливаются путём прокатки плоской металлической полосы и сварки шва. Несмотря на свою эффективность, трубы подвержены воздействию сложных условий эксплуатации. Часто поломки возникают из-за воздействия окружающей среды внутри теплообменника.

К наиболее распространенным дефектам труб относятся:

·Коррозия и эрозия: Химические реакции и трение жидкости изнашивают как внутренние, так и внешние поверхности труб.

·Растрескивание: Усталость от циклов изменения температуры и давления может привести к образованию трещин, особенно вблизи трубной решетки.

·Раздражение: Вибрация трубок может привести к их трению о перегородки или другие трубки, что приведет к износу.

·Питтинг: Локальная коррозия, часто вызываемая бактериями или плохой очисткой воды, приводит к образованию небольших отверстий или ямок.

Тарелки

Пластинчатые теплообменники используют ряд тонких гофрированных пластин вместо трубок. Эти пластины создают сложные каналы для потока жидкости, максимально увеличивая площадь поверхности теплопередачи в компактном пространстве. Расположение и угол гофрирования являются критически важными конструктивными особенностями. Например, больший угол гофрирования увеличивает турбулентность. Эта турбулентность повышает интенсивность теплопередачи, но также приводит к большему падению давления в агрегате. Инженерам необходимо найти баланс между теплопроизводительностью и приемлемыми потерями давления.

Выбор материала

Инженеры выбирают материалы с учётом температуры, давления и химического состава рабочей среды. Углеродистая сталь — распространённый и экономичный выбор для многих стандартных применений. Однако её подверженность коррозии со временем может привести к увеличению расходов на техническое обслуживание.

Для сложных или коррозионных условий конструкторы часто используют экзотические сплавы, такие как нержавеющая сталь, титан или никелевые сплавы. Эти высокоэффективные материалы обладают превосходной прочностью и коррозионной стойкостью, оправдывая свою высокую первоначальную стоимость гарантией долгосрочной эксплуатационной надежности.

Сложность всегда заключается в поиске баланса между требуемой производительностью и бюджетом проекта. Правильный выбор материала — критически важный этап, напрямую влияющий на срок службы и безопасность теплообменника.

Оболочка и корпус: внешняя граница

Оболочка - этотеплообменникВнешний корпус, служащий одновременно контейнером и несущей конструкцией. Он направляет поток одной из рабочих жидкостей и обеспечивает необходимую прочность для выдерживания внутреннего давления и внешних нагрузок.

Сдерживание процесса

Основная функция кожуха — удерживать жидкость в межтрубном пространстве, направляя её по трубному пучку. Конструкция кожуха напрямую влияет на динамику жидкости и тепловые характеристики. Ассоциация производителей трубчатых теплообменников (TEMA) классифицирует кожухи по траектории потока, что позволяет инженерам выбирать конструкцию, адаптированную к конкретному применению. ⚙️

Каждый тип обеспечивает уникальные преимущества: от максимального повышения тепловой эффективности до минимизации потерь давления.

Обеспечение структурной целостности

Будучи сосудом высокого давления, оболочка должна безопасно выдерживать рабочие давления и температуры системы. Её структурная целостность имеет первостепенное значение для эксплуатационной безопасности. Кодекс Американского общества инженеров-механиков (ASME) по котлам и сосудам высокого давления (BPVC), в частности, раздел VIII, содержит основные правила проектирования, изготовления и проверки.

Недавние обновления кода изменили правила проектирования кожухотрубчатых теплообменников.

В издании ASME BPVC 2023 года, Раздел VIII, Раздел 1, проектировщикам теперь предписывается использовать правила Раздела 2 для многих компонентов теплообменников. Однако большинство деталей самого кожуха по-прежнему должны соответствовать применимым правилам Раздела 1.

Инженеры определяют окончательные номинальные значения давления и температуры оболочки на основе нескольких критических факторов:

·Соблюдение норм проектирования, таких как ASME, раздел VIII.

·Материал конструкции и его эксплуатационные характеристики при высоких температурах.

·Расчетная толщина стенки, включая прибавку на коррозию.

·Качество всех сварных швов и процессов изготовления.

Эти элементы работают вместе, гарантируя, что оболочка остается прочной и надежной границей для процесса теплопередачи.

Каналы и сопла: направление потока

   

Каналы и сопла — это система управления движением теплоносителя в теплообменнике. Они направляют рабочие жидкости в агрегат, через него и из него. Правильная конструкция этих компонентов имеет решающее значение для управления расходом, давлением и общей тепловой эффективностью. Они обеспечивают движение жидкостей по заданным траекториям для максимальной теплопередачи.

Входные и выходные сопла

Входной и выходной патрубки служат шлюзами для теплообменника. Эти фланцевые соединения соединяют сосуд с технологическим трубопроводом завода. Инженеры подбирают патрубки под размеры соединительных труб, обеспечивая плавный переход. Поскольку вырезание отверстия под патрубок ослабляет корпус или канал, нормы для сосудов высокого давления требуют усиления вокруг отверстия.

Конструкторы часто используют для таких соединений приварные фланцы. Их конические ступицы обеспечивают превосходную структурную целостность и позволяют проводить тщательный неразрушающий контроль.

·Стандартные насадки: Обычная конструкция для умеренных условий эксплуатации включает усиливающую пластину в паре с приварным фланцем.

·Самоармированные насадки: Современные варианты, такие как сопла с выступом и длинной сварной горловиной (RFLWN), изготавливаются из цельной заготовки, что исключает необходимость использования отдельной усиливающей накладки и снижает затраты на изготовление.

Перепад давления между входом и выходом сопла значительно увеличивает скорость жидкости. Это ускорение может привести к увеличению скорости жидкости примерно до 200 м/с. Хотя это способствует продвижению жидкости через устройство, такие высокие скорости также могут увеличить скорость эрозии, что со временем приводит к износу материала сопла.

Внутренние жидкостные каналы

Попадая в теплообменник, жидкости проходят через тщательно спроектированные внутренние каналы. В кожухотрубных агрегатах секция канала (также называемая коллектором) оснащена разделительными пластинами для направления потока жидкости по трубам. Эти пластины, по сути, являются внутренними разделителями, создающими определённый путь потока.

Вместо того, чтобы пропускать жидкость через все трубки одновременно, эти перегородки заставляют её двигаться вперёд и назад в многоходовой конфигурации. Такая конструкция служит нескольким ключевым целям:

·Разделяет путь потока внутри крышки канала.

·Заставляет жидкость проходить через трубный пучок несколько раз.

·Увеличивает расстояние перемещения жидкости и время контакта спередача теплаповерхность.

·В конечном итоге это повышает тепловую эффективность теплообменника.

Управляя внутренним потоком, инженеры могут точно настроить производительность устройства для соответствия точным требованиям технологического процесса.

Основные структурные детали теплообменника

Помимо основных поверхностей и корпусов, некоторые структурные элементы теплообменника обеспечивают критически важную поддержку и повышают тепловой КПД. Трубные решётки и перегородки — два наиболее важных из этих компонентов. Они обеспечивают механическую целостность и оптимизируют динамику жидкости внутри корпуса.

Трубные решетки: критическое уплотнение

Трубная решётка представляет собой толстую металлическую пластину, которая фиксирует концы трубок. Она служит неподвижным барьером, разделяющим жидкости в трубном и межтрубном пространствах. Соединение между трубкой и трубной решёткой, известное как соединение трубка-трубная решётка, является одним из важнейших уплотнений во всей конструкции. Неисправное соединение приводит к перекрёстному загрязнению и дорогостоящему простою.

Производители используют несколько методов для создания прочного герметичного соединения:

·Уплотнительные сварные швы: Эти сварные швы обеспечивают дополнительный уровень защиты от утечек, что особенно полезно при работе с агрессивными жидкостями.

·Прочные сварные швы: Эти прочные сварные швы рассчитаны на физическую нагрузку на трубы. Процесс включает в себя проточку отверстий в трубной решётке для создания более прочного соединения.

·Расширение ролика: Этот механический процесс расширяет трубку относительно стенки трубной решетки, создавая фрикционное соединение.

Исследования показывают, что сочетание сварки и развальцовки создаёт самые прочные соединения. В одном исследовании соединения, выполненные только с развальцовкой, разрушались при нагрузке на 28% ниже фактической прочности трубы. Это открытие свидетельствует о том, что для многих применений одного только развальцовки недостаточно.

Утечки часто возникают из-за таких проблем, как коррозионное растрескивание под напряжением, неправильные параметры сварки или недостаточное расширение трубы. Тщательное изготовление этих критически важных деталей имеет решающее значение.детали теплообменника.

Перегородки: повышение производительности

Перегородки — это пластины, устанавливаемые по всей длине трубного пучка. Они выполняют две основные функции: поддерживают трубки, предотвращая вибрацию, и направляют межтрубное пространство по заданному пути. Этот управляемый путь заставляет жидкость течь по трубкам, создавая турбулентность, которая значительно улучшает теплопередачу.

Наиболее распространённый тип – сегментный – создаёт зигзагообразный поток. Такая конструкция эффективна, но может создавать застойные зоны, где жидкость застаивается, что приводит к засорению и значительному падению давления. Современные спиральные затворы, напротив, направляют жидкость по плавной спирали. Такая конструкция практически исключает застойные зоны, уменьшает засорение и снижает падение давления, что позволяет экономить мощность насоса.

Инженеры тщательно проектируют перегородки, чтобы сбалансировать производительность и потери давления.

Правильная конструкция перегородки является ключевым фактором оптимизации производительности этих сложных деталей теплообменника.

Как компоненты работают вместе

Отдельные части теплообменника образуют единую систему терморегулирования. Процесс начинается, когда две жидкости, горячая и холодная, поступают в агрегат через отдельные патрубки. Они движутся по разным траекториям, обеспечивающим максимальное тепловое взаимодействие без смешивания. Это скоординированное движение является ключом к функционированию теплообменника.

Отслеживание пути жидкости по трубке

Жидкость из труб поступает в теплообменник через входной патрубок на секции канала. Проходные перегородки внутри канала направляют жидкость в определённый набор трубок. В многоходовом теплообменнике жидкость проходит по всей длине трубного пучка, делает разворот в заднем канале и течёт обратно через другой набор трубок. Это движение вперёд и назад увеличивает расстояние перемещения жидкости и её общее время контакта со стенками трубок, улучшая тепловые характеристики до выхода через выходной патрубок.

Отслеживание пути жидкости в корпусе

Одновременно жидкость из межтрубного пространства поступает через сопло, расположенное на корпусе. Перегородки внутри корпуса заставляют жидкость течь зигзагом или спиралью по внешней стороне трубного пучка. Этот поперечный поток создаёт турбулентность, которая улучшает теплопередачу. Однако сегментные перегородки также могут создавать зоны застоя потока, или «мёртвые зоны», у стенки корпуса и в его центре. Инженеры используют вычислительную гидродинамику (CFD) для визуализации и оптимизации потока.

·Моделирование с помощью вычислительной гидродинамики подтверждает, как перегородки создают зигзагообразные узоры и зоны рециркуляции.

·Эти знания помогают инженерам усовершенствовать конструкцию перегородки для повышения эффективности.

·Такие инструменты, как ANSYS, оценивают тепловое поведение этих сложных путей потока.

Результат: эффективная теплопередача

При течении двух жидкостей по назначенным каналам тепло передается от более горячей жидкости через стенку трубки или пластины к более холодной. Эффективность этого обмена измеряется логарифмической средней разностью температур (LMTD) – ключевым показателем эффективности. Инженеры рассчитывают его по стандартной формуле.

LMTD рассчитывается как:

LMTD = (ΔT1 - ΔT2) / ln(ΔT1/ΔT2)

Оптимизация конструкции этих деталей теплообменника может обеспечить значительное повышение эффективности. Например, в рамках одного проекта, в рамках которого устройство было перепроектировано с использованием аддитивного производства, его общая масса сократилась на 81%, а объём — на 85%, что демонстрирует эффективностьинновационный дизайн компонентов. В конечном итоге одна жидкость выходит более горячей, а другая — более холодной, достигая желаемой цели процесса.

Эффективность теплообменника зависит от его основных компонентов. К ним относятся поверхность теплопередачи, кожух, сопла, трубные решетки и перегородки. Каждый из этих компонентов теплообменника играет определённую роль в работе системы. Понимание их работы — первый шаг к выбору подходящего устройства для сложных условий эксплуатации, например, для работы с высоким давлением или агрессивными жидкостями.

Эти знания также важны для безопасной эксплуатации. Правильное обслуживание предотвращает утечки при высоком давлении и температуре, а мониторинг ключевых показателей, таких как падение давления, обеспечивает долгосрочную надежность и эффективность. 💡

Часто задаваемые вопросы

Какая часть теплообменника является наиболее важной?

Поверхность теплопередачи, будь то трубки или пластины, является важнейшим компонентом. Она образует барьер, через который тепло передается от горячей жидкости к холодной. Её конструкция и материал напрямую определяют общую эффективность и производительность теплообменника.

Зачем теплообменникам нужны перегородки?

Перегородки выполняют две важные функции. Они обеспечивают структурную поддержку трубок, предотвращая вибрацию и износ. Они также направляют межтрубную жидкость по трубному пучку. Этот контролируемый путь потока создаёт турбулентность, что значительно повышает интенсивность теплопередачи.

Как инженеры предотвращают утечки в теплообменнике?

Инженеры уделяют особое внимание созданию прочного соединения трубы с трубной решеткой для предотвращения утечек.

В производстве используются такие технологии, как прокатка и прочная сварка. Эти методы создают прочное, герметичное уплотнение, которое предотвращает смешивание жидкостей в трубной и межтрубной зонах, обеспечивая эксплуатационную безопасность. 🛡️

В чем разница между трубкой и пластиной?

Трубы — это цилиндрические трубы, образующие поверхность теплопередачи в кожухотрубных теплообменниках. Пластины — это тонкие гофрированные металлические листы, уложенные друг на друга. Конструкция пластин обеспечивает очень большую площадь поверхности в компактном объёме, что часто приводит к повышению термической эффективности.