ТЕПЛООБМЕННИК КОЖУХОТРУБЧАТЫЙ С ИЗОГНУТЫМИ ТРУБКАМИ
TUBE-AND-SHELL HEAT EXCHANGER WITH CURVED TUBES

Изобретение относится к теплообменному и реакторному оборудованию и может быть использовано в энергетической, химической, нефтехимической отраслях промышленности, на энергетическом оборудовании средств транспорта и других отраслях, где осуществляется теплообмен.
Известны кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими устройствами: с линзовым компенсатором, с плавающей головкой, с U-образными трубками. Первый имеет сложную конструкцию, не имеет жесткого корпуса и не работает при высоких давлениях, второй недостаточно надежен при работе с агрессивными средами и средами, не допускающими сообщения полостей, третий имеет низкую ремонтопригодность, и его сложно использовать, в частности, в вертикальном исполнении.
Известен теплообменник по патенту №2451889. Внутри корпуса теплообменника расположен трубный пучок, который состоит по меньшей мере из двух рядов конусообразных труб, закрепленных концами в отверстиях решеток по концентрическим окружностям. Трубы расположены с наклоном одновременно в двух направлениях: с наклоном к вертикальной оси корпуса и с дополнительным наклоном, выполненным путем смещения концов в окружном направлении, т.е. по дугам окружностей размещения их в трубных решетках. При этом углы наклонов выполнены в пределах 0,5-50,0 градусов от вертикальной плоскости, проходящей через вертикальную ось корпуса. Теплообменник имеет сложную конструкцию трубок и малую ремонтопригодность.
Теплообменник по патенту №2451889 принят в качестве прототипа.
Цель изобретения - обеспечение компенсации удлинения труб при температурной деформации в теплообменнике при использовании прямых трубок.
Указанная цель достигается тем, что в теплообменнике, состоящем  из корпуса, трубных решеток, перегородок и  труб, трубы установлены с предварительным прогибом с возможностью дальнейшего прогиба при температурной деформации.
Предварительный прогиб осуществляется за счет смещения отверстий для труб в перегородках, а также за счет смещения перегородок механизмом перемещения, причем две перегородки с вырезами в разные стороны в средней части теплообменника установлены со смещением неподвижно, остальные перегородки установлены с возможностью дальнейшего смещения в направлении предварительного смещения.
Предварительный прогиб труб осуществляется в процессе сборки теплообменника из прямых труб, которые изгибаются в пределах упругой деформации.
Корпус может быть выполнен с прогибом, при этом две перегородки с вырезами в разные стороны в средней части теплообменника установлены неподвижно в корпусе, остальные перегородки установлены с возможностью дальнейшего смещения в направлении предварительного прогиба корпуса.
Таким образом, в конструкцию теплообменника внесены существенные отличия, а именно: прямые трубы устанавливаются с прогибом, который образуется предварительным смещением отверстий в перегородках в поперечном направлении относительно прямолинейного исходного положения оси труб или предварительным смещением самих перегородок с трубами в поперечном направлении при изготовлении теплообменника. При удлинении при температурной деформации трубок они смещаются в том же поперечном направлении, увлекая за собой перегородки, установленные с возможностью дальнейшего смещения и обеспечивающие синхронное смещение труб, удлинение труб происходит без их взаимного касания и касания с корпусом теплообменника. При этом смещение осуществляется в пределах упругой деформации труб. Данное отличие является существенным, так как позволяет достигнуть цели изобретения:
- обеспечение компенсации удлинения труб при температурной деформации;
- изготовление теплообменника с изогнутыми трубками из прямых труб.
Предварительное смещение труб с дальнейшим смещением при удлинении при температурной деформации соответствует случаю, когда при изменении температуры деформация труб больше деформации корпуса теплообменника. Если при изменении температуры деформация труб меньше деформации корпуса теплообменника, трубы устанавливаются посредством перегородок с максимально возможным смещением, а при изменении температуры смещение уменьшается, деформированные трубы выпрямляются в пределах упругой деформации.
о
Предложение поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен теплообменник с прогибом с одним изгибом труб, представляющим собой полуволну. Ось труб в месте соединения с трубной доской наклонена на угол β к перпендикуляру к трубной доске, где:
- 1 - корпус теплообменника;
- 2, 3 - трубные доски;
- 4 - трубы в нижней части теплообменника;
- 5 - трубы в средней части теплообменника;
- 6 - трубы в верхней части теплообменника;
- 7 - перегородка с вырезом сверху;
- 8 - перегородка с вырезом снизу;
- L - расстояние между трубными досками;
- e - длина четвертьволны при смещении труб;
- l - расстояние от трубной доской до перегородки;
- i - номер перегородки;
- h - общее поперечное смещение в пределах четвертьволны;
- β - угол наклона осей труб от исходного положения к положению осей при смещении труб;
о
- β - угол наклона оси трубы к перпендикуляру к трубной доске теплообменника в месте соединения трубы с трубной доской;
- п - индекс при предварительном поперечном смещении;
- т - индекс при поперечном смещении при температурной деформации.
Корпус 1 имеет цилиндрическую поверхность.
о
На фиг. 2 изображен теплообменник, где при прогибе образуется три изгиба труб, представляющих собой полную волну, угол наклона осей труб в месте соединения с трубной доской β равен:
о
β=0,
где:
- 9 - шторки;
- 10 - устройство для поперечного смещения перегородок;
- Н - общее поперечное смещение.
Корпус 1 имеет цилиндрическую поверхность.
Остальное - см. фиг. 1.
На фиг. 3 изображен разрез А-А теплообменника на фиг. 2. Перегородки 7 и 8 показаны при максимальном смещении, где:
- 11 - направляющие;
- δ - расстояние между корпусом и перегородкой в перпендикулярном к смещению перегородки направлении, остальное - см. фиг. 1 и 2.
На фиг. 4 изображен теплообменник, где образуется два прогиба с двумя изгибами труб и неподвижной серединой, представляющих собой полную волну, где:
- 12 - неподвижные перегородка с вырезом сверху;
- 13 - неподвижные перегородка с вырезом снизу;
- γ - угол наклона исходных осей труб к оси теплообменника;
- ϕ - угол наклона трубной доски к оси теплообменника.
Составной корпус 1 состоит из сочлененных обечаек с цилиндрическими поверхностями. Остальное - см. фиг. 1…3.
На фиг. 5 изображен теплообменник, где предварительное смещение образуется за счет изгиба корпуса, предварительный изгиб труб представляет собой полуволну, состоящую из двух четвертьволн, наиболее близкие к середине теплообменника перегородки 12 и 13 с верхним и нижним вырезами закреплены неподвижно.
Остальное - см. фиг. 1…4.
Возможны различные комбинации исполнений теплообменников, приведенных на фиг. 1-5.
Пi
i
На фиг. 1 теплообменник состоит из корпуса 1, по концам которого установлены трубные доски 2 и 3, в которых установлены трубы 4, 5 и 6, между трубными досками трубы удерживаются перегородками 7 и 8, перегородки 7 удерживают трубы 4 и 5, перегородки 8 удерживают трубы 5 и 6. Отверстия для труб 4, 5 и 6 в перегородках 7 и 8 выполнены с предварительным смещением h относительно исходной оси труб в зависимости от расстояния l от трубной доски до i-той перегородки. Предварительный прогиб труб представляет собой полуволну, состоящей из выпуклой нарастающей и выпуклой убывающей червертьволн:
П
n=2,
П
где n - количество четвертьволн при предварительном смещении между трубными досками,
П
L=2е.
Исходные оси труб паралельны оси теплообменника.
П
Значение предварительного поперечного смещения h для труб выбирается из условия, при котором напряжение при торцевом сжатии не больше напряжения при изгибе труб и определяется по формуле:
П
h≥d/4,
где d - диаметр труб, мм.
0
Концы труб заделаны в трубные доски под углом β:
max
0
β≥β>0.
П
Пi
i
Между трубными досками должно быть не менее двух перегородок. Значение перемещения в пределах четвертьволны - h для i-той перегородки равно h и зависит от расстояния от трубной доски до i-той перегородки l, при выпуклой нарастающей волне:
Пi
П
i
i
h=2hl/e(e-l/2e).
Изгиб труб при температурной деформации представляет собой полную волну, состоящие из вогнутой нарастающей, выпуклой нарастающей, выпуклой убывающей, вогнутой убывающей четвертьволн, которые накладываются на четвертьволны при предварительном смещении:
Т
n=4,
Т
где n - количество четвертьволн при смещении при температурной деформации труб.
Общее поперечное смещение h определяется по формуле:
Максимальное значение величины смещения h в пределах четвертьволны определяется по формуле:
max
h=2dEΔtαk/(1-c)[σ],
где - Е - модуль упругости материала, МПа;
- Δt - разница изменения температуры труб и корпуса, °С;
- α - коэффициент линейного расширения материала, мм/°С;
П
Т
П
Т
- k - коэффициент зависит от соотношения е и е, h и h;
- с - коэффициент загруженности трубы от действия сил при предварительном смещении и других нагрузок в теплообменнике, кроме нагрузок от изгиба при температурной деформации.
П
Т
Смещение труб при температурной деформации накладывается на предварительное смещение, наличие двух дополнительных изгибов зависит от соотношения величин смещения h и h.
Теплообменник изготавливается и работает следующим образом.
о
П
Т
Трубы ввариваются в трубные решетки под углом β с установленными перегородками, образуя трубный пучок, который устанавливается в корпус. Трубы в перегородки установлены со смещением так, что при установке в корпус трубного пучка трубы предварительно смещаются на величину h. Трубные доски фиксируются к корпусу. При нагревании трубы удлиняются и смещаются далее в направлении предварительного смещения в пределах упругой деформации на величину h.
Тmin
Минимальная длина четвертьволны е определяется по формуле:
Д
где - [σ] - допускаемое напряжение материала труб, МПа.
Максимальное значение угла наклона оси трубы при переходе от вогнутой к выпуклой четвертьволне к углу наклона трубы определяется по формуле:
max
1/2
β=arctg2(Δtα)
При этом выполняются условия:
0≤β≤arctg 2h/e.
Если модули упругости и коэффициенты линейного расширения материала корпуса и труб разные, формула (2) изменяется в зависимости от характеристик материалов.
В остальном при изготовлении применяются существующие технологии.
Если не предусматривать термообработку теплообменника, изгиб в пределах упругой деформации осуществляется на общую величину h.
На фиг. 2 и 3 теплообменник дополнительно оснащен шторками 9 для перекрытия щели, образующейся при смещении перегородок, для смещения труб в поперечном направлении, имеются устройства поперечного смещения перегородок 10 и направляющие 11. Расстояние между направляющими одной перегородки должно превышать максимальный габарит перегородки для предотвращения заклинивания. Если изменение минимального расстояния 8 между корпусом и перегородкой при перемещении последней значительно меньше величины перемещения h, (h>5δ), направляющие 11 не предусматриваются. Если площадь сечения вырезов перегородок значительно превышает площадь сечения зазоров и последние существенно не влияют на теплообмен, шторки 9 не предусматриваются.
При смещении труб образуется три изгиба. Изгибы труб и при предварительном смещении, и при удлинении при температурной деформации совпадают и представляют собой полную волну, состоящие из вогнутой нарастающей (первый изгиб), выпуклой нарастающей и выпуклой убывающей (второй изгиб), вогнутой убывающей (третий изгиб) червертьволн:
П
Т
n=n=4;
П
Т
L=4е=4е.
Исходные оси труб параллельны оси теплообменника,
Теплообменник на фиг. 2 и 3 изготавливается и работает следующим образом.
П
Т
Трубы устанавливаются в трубные доски и перегородки, образуя трубный пучок, который устанавливается в корпус. Трубный пучок устанавливается в корпус и смещается устройствами смещения перегородок 10, предварительно прогибая трубы на величину h. Трубные доски фиксируются к корпусу. При нагревании трубы удлиняются и смещаются далее в направлении предварительного смещения в пределах упругой деформации на величину h. Общая величина смещения определяется по формуле (1). Шторки 9 обеспечивают перекрытие зазора между корпусом 1 и перегородками 7 и 8 при их поперечном смещении.
Теплообменник может содержать несколько последовательных прогибов. В этом случае роль второй трубной доски исполняют две наиболее близкие к месту перехода от одного прогиба к другому неподвижные перегородки с различными вырезами.
На фиг. 4 в теплообменнике между трубными досками образованы два прогиба, представляющие собой одну волну, угол наклона оси труб к оси теплообменника определяется по формуле
0≤β≤arctg 2,33h/e.
о
Угол наклона осей труб в месте соединения с трубной доской β равен:
0
β=0.
Трубная доска наклонена к оси теплообменника на угол ϕ;
max
90°≥ϕ≥90°-β;
- γ - угол наклона исходных осей труб к оси теплообменника - для уменьшения габаритов теплообменника за счет минимизации пространства для поперечного смещения труб.
П
Наиболее близкие к середине теплообменника перегородки 12 и 13 с верхним и нижним вырезами закреплены неподвижно. Смещение двух пар перегородок, удерживающих трубы, осуществляется в двух местах на расстоянии наиболее близкого к 1/4L и 3/4L от трубных досок, при этом наибольшее смещение h должно быть на расстоянии 1/4L и 3/4L от трубных досок.
При предварительном смещении труб образуются два изгиба, состоящие из выпуклой нарастающей (первый изгиб), выпуклой убывающей, вогнутой убывающей (второй изгиб) и вогнутой нарастающей четвертьволн:
П
L=4е.
Т
П
При температурной деформации образуется 6 четвертьволн с двумя различными значениями е, которые накладываются на четыре четвертьволны длиной е. Отверстия в перегородках труб 12 и 13 выполнены овального сечения таким образом, чтобы при максимальном смещении труб они занимали положение, если бы была одна перегородка, удерживающая трубы 4, 5 и 6, находилась на расстоянии 1/2L от трубных досок. Отверстия в перегородках 12 и 13 могут быть круглыми, в этом случае длина изгибаемой части и максимально возможная величина удлинения уменьшаются, также возникает несинхронность изгибов труб 4, 5 и 6.
При изготовлении теплообменника необходимо предусмотреть возможность прохождения перегородок через стыки, если корпус составной.
П
На фиг. 5 в теплообменнике при предварительном смещении между трубными досками образуется один изгиб и одна полуволна длиной е. Наиболее близкие к середине теплообменника перегородки 12 и 13 с верхним и нижним вырезами закреплены неподвижно.
Т
При температурной деформации образуются 5 изгибов и 8 четвертьволн длиной е, представляющие собой две полные волны, состоящие из вогнутой нарастающей, выпуклой нарастающей, выпуклой убывающей, вогнутой убывающей волн каждая:
Т
n=8,
Т
где n - количество четвертьволн при смещении при температурной деформации труб,
Т
П
4е=е.
Наибольшее смещение труб при температурной деформации происходит на расстоянии 1/4L и 3/4L от трубных досок.
П
T
При наложении предварительного смещения и смещении при температурной деформации труб образуется от трех до пяти изгибов в зависимости от соотношения величин смещения h и h.
Возможна конструкция составного корпуса 14, состоящего из цилиндрических секторов с неподвижными в средней части перегородками 12 и 13.
Возможна конструкция корпуса из цилиндрической обечайки с неподвижными в средней части перегородками 12 и 13 с предварительно смещенными отверстиями в перегородках.