для чего нужна плавающая головка в кожухотрубном теплообменнике
Плавающие головки теплообменников
Плавающие головки теплообменников — это приспособления для подвижного крепления трубных пучков к решеткам в кожухотрубчатых агрегатах. Они используются, когда имеется значительный перепад между температурами сред, участвующих в технологических процессе.
Крепление трубных пучков
В большинстве случаев плавающие головки теплообменников устанавливаются лишь для одной из решеток. С другой стороны пучки фиксируются жестко. Соединение в теплообменниках может осуществляться различными способами.
Фланцевое крепление делает узел более громоздким, однако, оно является надежным и долговечным. Соединительные кольца (скобы) уменьшают габариты конструкции, однако их наличие может усложнить эксплуатацию изделия, в случае, когда в теплообменнике работают сильно загрязненные жидкости или агрессивные вещества. Узел сборки плавающей головки теплообменника со скобой комплектуется также нажимными болтами для уплотнения. С особой тщательностью выбирается материал и соблюдается точность изготовления скобовых плавающих головок, поскольку в этом случае все элементы соединения не только находятся внутри корпуса, но и погружены в одну из рабочих сред (воспринимают ее температуру, а в некоторых случаях и подвергаются химическому воздействию).
Преимущества и сфера применения
Плавающие головки теплообменников способны нивелировать тепловое расширение элементов агрегата и связанное с ним продольное перемещение. Благодаря этому значительно увеличивается износостойкость и срок службы оборудования, работающего в сложных условиях. Благодаря своим особенностям теплообменники с плавающими головками могут применяться на основном производстве и во вспомогательных цехах в различных отраслях промышленности:
В зависимости от особенностей технологического процесса можно выбрать и приобрести теплообменники с плавающими головками, которые оснащены гладкими или оребренными трубами.
Классификация и маркировка агрегатов
Среди агрегатов с плавающими головками различают оборудование различного назначения:
теплообменники, предназначенные для повышения температуры рабочей среды, конденсаторы для обеспечения стабильности температурного режима, холодильники. Наличие в конструкции плавающей головки обозначается при маркировке буквой «П». Кроме того, указывается тип расположения техники: горизонтальный или вертикальный.
Ассортимент и изготовление оборудования
Широкий диапазон типоразмеров теплообменников с плавающими головками позволяет легко подобрать подходящее оборудование в каждом случае с учетом требуемой производительности и других индивидуальных параметров эксплуатации.
Агрегаты производятся на высокотехнологичном современном оборудовании только из отвечающих требованиям прочных сплавов (тип материала выбирается с учетом температуры, химической агрессивности веществ и других параметров). Все изделия проходят тестирование перед тем как отправиться к заказчику. Благодаря этому производитель может с уверенностью гарантировать беспроблемную эксплуатацию оборудования, точное соответствие ее характеристик заявленным в технической документации, а также долгий срок службы, износостойкость и ремонтопригодность любого из изделий.
Заказать плавающие головки теплообменников
Вы можете заказать плавающие головки теплообменников в компании «Феникс», воспользовавшись одним из способов, доступных на странице Контакты, либо заполнив следующую форму.
Теплообменник с плавающей головкой
Описание теплообменника с плавающей головкой “ТП”
Теплообменник с плавающей головкой является одним из востребованных видов кожухотрубчатых теплообменников и широко используется на НПЗ, а также других различных промышленных предприятиях.
Главной особенностью данного аппарата является наличие температурного компенсатора в виде так называемой “плавающей головки”.
Ниже приведены 2 варианта исполнения “плавающей головки”:
В обоих случаях, наличие плавающей головки, позволяет использовать теплообменник при большой разнице температур между технологическими средами в трубной и межтрубной полости аппарата.
Таким образом, данный вид аппарата более универсален по сравнению с теплообменниками жесткотрубной конструкции и может применяться в широком диапазоне сочетания различных сред с большой разницей температур.
Однако, из-за наличия плав. головки стоимость теплообменника также возрастает. Поэтому использование этого оборудования должно быть технически обосновано.
При указании шифра аппарата используют аббревиатуру “ТП” – теплообменные аппараты с плавающей головкой согласно ТУ 3612-023-00220302-01 ВНИИНефтемаша.
Конструкция
1 – передняя камера; 2 – задняя камера; 3 – внешний фланец головки; 4 – крышка головки; 5 – входной/ выходной патрубок головки; 6 – стационарная трубная доска; 7 – трубы; 8 – кожух; 9 – крышка кожуха; 10 – фланец кожуха со стороны стационарной головки; 11 – фланец кожуха с разборной стороны – или плавающей головки, или трубной доски; 12 – входной/ выходной патрубок кожуха; 13 – фланец крышки кожуха; 14 – компенсатор напряжений; 15 – плавающая трубная доска; 16 – крышка плавающей головки; 17 – фланец крышки плавающей головки; 18 – отдельный кольцевой фланец задней плавающей головки; 19 – отдельный кольцой фланец задней головки; 20 – направляющий поддерживающий фланец; 21 – крышка задней головки; 22 – трубчатая задняя головка (смесительная камера); 23 – сальники; 24 – уплотнение; 25 – фланец задней крышки; 26 – болты; 27 – соединительные тяги и распорки; 28 – поддерживающие перегородки; 29 – пластины растекания; 30 – продольная перегородка; 31 – перегородка-ребро или разделительная пластина в головке; 32 – штуцер смотровой; 33 – штуцер дренажный; 34 – штуцер для измерительных приборов; 35 – крепежные стойки; 36 – рымболт для монтажных работ;
Принцип работы
Принцип работы теплообменника с плавающей головкой – горячая и холодная жидкость поступает в соответствующие полости аппарата. Как правило, горячая жидкость подается в межтрубное пространство, а холодная в трубы, но могут быть и обратные случаи, в зависимости от ряда факторов: рабочее давление, загрезняемость среды и необходимость чистки, класс опасности потоков и некоторые другие.
При нагревании стенок трубы происходит линейное расширение и трубный пучок удлиняется. Устройство плавающей головки позволяет компенсировать это удлинение за счет свободного хода головки в задней камере теплообменника при удлинении или укорочении труб при их нагреве или охлаждении соответственно.
Такая конструкция плавающей головки получила большое распространение на НПЗ за счет надежности и простаты.
Как правило, на заводах данные аппараты, однотипного размера, часто собирают в группы образуя горизонтально расположенные пары – сдвоенные теплообменники. Данная компоновка позволяет сокращать необходимое:
Характеристики теплообменников типа ТП
В таблице ниже приведены основные параметры ТА с плавающей головкой, используемых на НПЗ. 
Ремонт теплообменника с плавающей головкой
Теплообменник с плавающей головкой имеет возможность извлечения трубного пучка из корпуса. Для этого необходимо сбросить давление и отсоединить аппарат от обвязки, заглушив патрубки подвода и отвода технологических сред.
Ремонт теплообменника с плавающей головкой состоит из следующих стадий:
Извлечение трубного пучка – одна из наиболее сложных операций и требует наличие тяжелой грузоподъемной техники, как правило, лебедки в сочетании с краном.
Конструкции кожухотрубных теплообменников
Теплообменные аппараты являются самыми многочисленными среди других аппаратов технологической установки НПЗ и могут достигать от 40 до 50% по массе и стоимости всего оборудования.
В зависимости от технологического процесса осуществляется теплообмен между двумя потоками один из которых нагревается за счет тепла другого, одновременно охлаждая второй. Процессом теплообменника может являться нагрев холодного потока, охлаждение горячего, либо тот и другой процесс одновременно.
Высокоэффективность теплообменных аппаратов дает возможность снизить потребление энергоресурсов на производстве.
Большинство теплообменников применяемых нефтепереработки – кожухотрубчатые жесткого типа с компенсаторами на корпусе, U-образными трубами, с плавающей головкой. Они состоят из распределительной камеры, оснащёнными патрубками, цилиндрического корпуса с патрубками и трубных решеток. Такая конструкция имеет большую площадь теплообмена между продуктами и малые габаритные размеры.
Теплообменник с жесткотрубной конструкцией
Рассмотрим принцип работы теплообменника с жестким методом крепления труб в трубных решетках – ТН.
В трубное пространство подаётся холодный теплоноситель через распределительную камеру. Поток проходит первый ход по трубам, разворачивается в задней камере и поступает во второй ход.
Межтрубное пространство – прохождение продукта
В межтрубное пространство направляется горячий продукт через входной патрубок. Внутри корпуса аппарата монтируются перегородки, чтобы удлинить путь прохождения продукта, создать турбулентность и снизить вероятность отложения механических примесей в корпусе ставятся поперечные перегородки. Они, также, предотвращают изгибание труб.
Во время контакта продуктов с разными температурами через стенки трубного пучка происходит теплообмен. Горячий охлаждается холодный нагревается.
Недостатки жесткотрубных теплообменников ТН
Из-за отсутствия свободного хода пучка теплообменных труб максимальная разница температур сред ограничена, как правило не более 40 – 50 градусов Цельсия в зависимости от используемых конструкторских материалов. При большой разнице температур продуктов, более 50 градусов, происходит деформация аппарата, которая может вызвать его разрушение.
Теплообменник с линзовым компенсатором
Линзовые компенсаторы устанавливают на аппаратах небольшого диаметра и работающих при невысоком давлении.
Увеличение или уменьшение длины труб из-за температурного воздействия компенсируется температурными компенсаторами на корпусе аппарата.
Такой аппарат расширяет диапазон работы по температуре, но ограничивает возможность применения по давлению.
Теплообменники с плавающей головкой
На заводах широко применяются теплообменные аппараты с самостоятельной компенсацией термических расширений, которые называют теплообменники с плавающей головкой.
Конструктивное отличие в том, что они имеют плав. головку, которая не прикреплена к корпусу аппарата. Такая конструкция позволяет трубному пучку свободно передвигаться при линейном расширении труб, не создавая напряжений и имея возможность свободно деформироваться.
Конструкция теплообменников типа ТП получила наибольшее распространение на НПЗ. Их конструкция дает возможность разобрать аппарат для его очистки от загрязнений.
Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой: тип П и ПК
В соответствии с производственными стандартами, кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой маркируется буквой П, с плавающей головкой и компенсатором – буквами ПК.
В кожухотрубчатом теплообменнике этого типа трубные пучки жестко фиксируются только с одного конца. Другой конец трубок закреплена в трубной решетке, которая может свободно перемещаться по оси. Это позволяет застраховаться от температурных деформаций. Когда происходит нагревание, трубки удлиняются и свободно перемещаются внутри кожуха.
Как правило, кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой являются одноходовыми. Но их можно сделать и многоходовыми, если разместить продольные перегородки в пространстве между трубами.
В целом в кожухотрубчатых агрегатах с плавающей головкой деформации в связи с повышением температуры компенсируются не полностью. Под воздействием температурных колебаний трубные пучки расширяются, и коробится трубная решетка, где они закреплены. Для того, чтобы этого избежать, в некоторых теплообменниках этого типа устанавливается разрезную плавающую головку. Это целесообразно делать в теплообменниках с большим диаметром, превышающим 1000 миллиметров. В теплообменных агрегатах с таким диаметром температуры входа и выхода могут сильно отличаться и достигать ста процентов. Поэтому компенсировать разницу температур действительно необходимо.
Размещение решетки с трубными пучками в крышке: варианты
Еще один важный момент в конструкционных особенностях теплообменника кожухотрубчатого типа П – тип соединения трубной решетки. Здесь важно найти вариант, при котором трубные пучки располагаются с минимальными зазором между ними и кожухом.
При этом важно позаботиться также и о том, чтобы из кожуха можно было с легкостью извлечь трубные пучки. Как правило, простота извлечения достигается за счет увеличения зазора между трубными пучками.
При разных вариантах размещения приходится жертвовать либо плотностью расположения кожуха и трубных пучков, либо простотой демонтажа.
Плавающая головка может быть размещена в крышке, диаметр которой больше или меньше диаметра кожуха. При размещении внутри крышки большего диаметра зазор между трубными пучками и стенкой кожуха становится минимальным. Но демонтаж трубок в этом случае затруднен, поскольку плавающую головку нельзя извлечь из кожуха.
При размещении плавающей головки в крышке меньшего диаметра, чем сам кожух, трубные пучки легко извлекаются, зазор между трубками и кожухом сохраняется минимальным. При таком соединении используются разрезные фланцы, состоящих из двух полуколец.
Помимо крепления разрезными фланцами существуют и другие способы крепления плавающей головки и трубной решетке: разрезным кольцом, разрезной фальцевой скобой, разрезным стяжным кольцом.
При соединении фланцевой скобой соединение происходит за счет охвата полукольцами трубной решетки и фланца крышки.
Выбор варианта крепления трубного пучка в кожухотрубчатом теплообменнике с плавающей головкой зависит от эксплуатационных нагрузок.
Кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой чаще всего используются в испарителях, поскольку в этих агрегатах диаметр кожуха намного больше диаметра трубного пучка для создания максимально возможной поверхности зеркала испарения.
Кожухотрубчатые теплообменники с компенсатором: тип ПК
В некоторых случаях для компенсации температурных воздействий используется компенсатор. Это гибкий элемент, который устанавливается на плавающую головку кожухотрубчатого теплообменника.
Подобное теплообменное оборудование целесообразно использовать, если давление рабочих сред повышено и составляет от 5 до 10 МПаскалей.
Подобные теплообменники могут быть только одноходовыми. Рабочие среды движутся в них напротив друг другу, то есть такие теплообменники относятся к противоточным.
Важное конструкционное отличие теплообменников этого типа – расположение на крышке штуцера с размещенным внутри него компенсатором. Один конец компенсатора соединен с плавающей головкой, другой – с штуцером, расположенном на крышке кожухотрубчатого теплообменника.
Во всем остальном этот тип теплообменного оборудования повторяет строение теплообменников типа П.
Кожухотрубный теплообменник: типы, устройство конструкции, принцип действия, маркировка
Впервые кожухотрубный (кожухотрубчатый) теплообменник был применен в начале ХХ столетия. Аппарат получил свое название благодаря тонким теплообменным трубам, которые находились внутри специального кожуха.
Производительность аппарата непосредственно связана с количеством труб, принимающих участие в теплообмене. Необходимость разработки такого типа теплообменника была обусловлена необходимостью обеспечить эффективный теплообмен между рабочими средами в условиях повышенного давления.
Первоначально кожухотрубные теплообменники использовались для обеспечения работы тепловых станций. Позднее аппараты начали использоваться в качестве компонентов испарителей и нагревателей в нефтяной промышленности. Работа с загрязненной рабочей средой заставила внести в первоначальную конструкцию теплообменного аппарата некоторые изменения, направленные на упрощение технического обслуживания агрегатов.
В настоящее время кожухотрубчатые теплообменники получили самое широкое распространение. Этому способствовали прежде всего надежность конструкции и большой набор модификаций, предназначенных для самых разных областей использования.
Что такое кожухотрубный теплообменник?
Область применения
Основным потребителем кожухотрубных теплообменников являются жилищно-коммунальные службы. Аппараты широко используются для комплектации инженерных коммуникаций. Теплосети активно применяют устройства для обеспечения горячего водоснабжения. По возможности, обустраиваются индивидуальные тепловые пункты, эффективность которых значительно выше, чем эффективность централизованных магистралей.
Кожухотрубные преобразователи тепловой энергии получили широкое распространение в нефтеперерабатывающей отрасли, химическом и газовом секторах. Востребованы аппараты и в теплоэнергетике. Кроме того, устройства незаменимы в пивоваренной и пищевой промышленности. Нередко кожухотрубчатые теплообменники используются в качестве конденсаторов, утилизаторов тепловой энергии отработанных газов и подогревателей.
Конструкция и принцип работы
Конструкция кожухотрубного теплообменника отличается простотой и надежностью, а также обеспечивает простой доступ к основным элементам для технического обслуживания и ремонта. Что касается принципа действия рассматриваемой установки, он также не отличается особой сложностью. Рассмотрим подробно конструкцию и принцип действия кожухотрубных преобразователей тепловой энергии.
Конструкция теплообменника
В общем случае конструкция теплообменного аппарата состоит из следующих элементов:
Главным преимуществом кожухотрубного преобразователя тепловой энергии и основной причиной популярности этих устройств является простота и надежность конструкции. Кожухотрубчатый теплообменник включает в себя распределительную камеру, оснащенную теплообменными трубами, корпус, чаще всего цилиндрической формы, и специальные решетки.
На торцах корпуса располагаются крышки, полностью герметизирующие корпус агрегата. Благодаря находящимся в комплекте поставки опорам, теплообменник легко устанавливается в горизонтальное положение. Помимо этого, конструкцией предусмотрены специальные крепления, обеспечивающие возможность произвольной установки изделия.
Увеличить интенсивность теплообмена может использование труб, имеющих специальные рёбра. В том случае, когда необходимо уменьшить интенсивность теплопередачи, на трубы наносят специальное теплоизоляционное покрытие. Таким образом можно существенно повысить аккумулирующие возможности установки. В некоторых случаях применяются особые конструктивные решения, в которых предусмотрено использование двух труб: труба меньшего диаметра располагается внутри трубы большего диаметра.
Кожух теплообменного аппарата изготавливается из толстолистовой стали толщиной не менее 4 мм. Для изготовления решеток используется материал той же марки, однако толщина его должна быть не менее 20 мм. Главным элементом конструкции является комплект труб. Для эффективной работы устройства необходимо, чтобы материал из которого изготавливаются трубы, обладал высокой теплопроводностью. Положение пучка труб внутри корпуса фиксируется с помощью одной или нескольких решеток.
Принцип действия
Принцип действия кожухотрубного теплообменника довольно прост. Внутри аппарата происходит разделение рабочих сред таким образом, что они лишены возможности смешиваться между собой. В роли теплопередающих элементов выступают трубы, расположенные между двумя рабочими субстанциями.
Один из теплоносителей перемещается внутри труб, другой подается под давлением в межтрубное пространство. Кожухотрубчатые теплообменники могут работать с любыми агрегатными состояниями теплоносителей, это могут быть пар, газ, жидкость или их сочетание.
Типы кожухотрубных теплообменников
По направлению перемещения теплоносителей, кожухотрубные преобразователи тепловой энергии можно разделить на 3 вида:
Теплообменники могут быть одноходовыми и многоходовыми.
В одноходовых устройствах теплоноситель циркулирует по ограниченному контуру. В качестве примера можно привести водонагреватель ВВП, получивший широкое распространение системах отопления. Такие устройства используются зонах, где интенсивность теплообмена принципиального значения не имеет (температура окружающей среды незначительно отличается от температуры теплоносителя).
Многоходовые устройства имеют поперечные или продольные перегородки, обеспечивающие изменение направления движения теплоносителя. Такие теплообменники применяются на участках, где интенсивность теплообмена особенно важна.
Принципы маркировки теплообменных аппаратов
В настоящее время условные обозначения кожухотрубчатых теплообменников согласуют с международным стандартом ТЕМА в котором отражены основные принципы маркировки этого вида оборудования.
Обозначения теплообменников стандарта TEMA
Типы передних неподвижных головок по системе обозначений ТЕМА:
Типы кожухов по системе обозначений ТЕМА:
Типы задних головок по системе обозначений ТЕМА:
Применение: нагрев жидких сред при низком давлении пара в корпусе; охлаждение газа или нефти в корпусном пространстве.
Применение: нередко применяется на нефтеперерабатывающих предприятиях при повышенном давлении в корпусном пространстве.
Применение: при использовании особо опасных газов, при повышенном давлении в трубной части, где неисправности прокладок должны быть выявлены максимально быстро.
Описание: фиксированная трубная решетка с несъемным трубным пучком, приварена непосредственно к внутренней поверхности корпуса, конструкция один или два хода.
Применение: Химическая промышленность; рабочие среды – воздух (при повышенном давлении), азот (газ в трубах, фреон в корпусе).
Описание: трубки U-типа; съемный или несъемный трубный пучок; многоходовая конструкция; широкий диапазон рабочего давления и по корпусу, и по трубкам.
Применение: Химическая промышленность; подогреватели жидкостей; различные виды испарителей.
Описание: Съемный трубный пучок; конструкция в один или два прохода; двойное уплотнение плавающей трубной решетки с «O-образными» кольцами и резьбовыми фиксаторами с контрольными отверстиями для обнаружения возможных утечек, корпус размером от 6 до 42; широкий диапазон рабочих давлений.
Применение: промышленные и бытовые охладители.
Преимущества и недостатки
Кожухотрубные теплообменники имеют ряд преимуществ, выгодно отличающих их от других типов преобразователей тепловой энергии. К этим преимуществам относятся:
Невзирая на приведенные выше достоинства, у таких установок имеются и существенные недостатки, которые необходимо учесть прежде чем приобрести такое устройство. Возможно, кожухотрубчатый преобразователь тепловой энергии не является оптимальным решением поставленной задачи. К недостаткам таких агрегатов относятся:
Даже с учетом выше перечисленных недостатков, данный вид теплообменных аппаратов занял достойное место на рынке преобразователей тепловой энергии. Особенно популярны кожухотрубные теплообменники в химической и нефтеперерабатывающей промышленности.
Расчет кожухотрубчатого теплообменника
Расчет кожухотрубного теплообменника подразумевает проведение ряда отдельных расчетов, имеющих целью определить необходимую площадь поверхности теплообмена – значит определить необходимую поверхность теплообменника и подобрать теплообменник в соответствии с ГОСТом.
Для определения требуемой площади поверхности теплопередачи необходимо выполнить следующие виды расчетов:
Более подробную информацию, касающуюся методики проведения указанных расчетов, можно найти на соответствующих сайтах в интернете или в специальной литературе.
Советы по эксплуатации
Для обеспечения эффективной и продолжительной работы теплообменного аппарата необходимо неукоснительно соблюдать приведенные ниже правила эксплуатации кожухотрубных теплообменников:
Категорически запрещается включать теплообменник если:
Соблюдение этих правил обеспечит эффективную и длительную работу кожухотрубчатого теплообменника.
Благодаря простоте конструкции, надежности и длительному сроку службы, кожухотрубные теплообменники получили широкое распространение в различных областях промышленности. Наибольшее распространение установки получили в нефтеперерабатывающей и химической промышленности, однако нередко используются и в других областях народного хозяйства. Одним из главных достоинств кожухотрубчатых агрегатов является простота эксплуатации и технического обслуживания.