Содержание
Основное назначение и классификация перегородок
Перегородки кожухотрубных теплообменников предназначены для 2-х основных целей:
- Поддержка и увеличение жесткости конструкции трубного пучка;
- Улучшение обтекания труб и увеличение теплоотдачи межтрубного пространства.
Перегородки в теплообменном аппарате по расположению можно разделить на:
- поперечные
- продольные
Необходимость применения перегородок с точки зрения улучшения обтекания труб вызвано тем, что при поперечном и продольном обтекании коэффициент теплоотдачи заметно отличается.
Поперечное обтекание встречает большее сопротивление и, соответственно, получает большее возмущение. В результате возмущения увеличивается степень турбулизации потока, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи от потока к стенкам труб снаружи.
С точки зрения теплоотдачи поток стремятся направить под углом 90 к трубам. Но при высоких скоростях такой угол атаки может вызывать или усиливать вибрацию труб теплообменника.
Односегментные перегородки
Самые распространенные и наиболее часто используемые перегородки на практике. Сборка и изготовление достаточно проста.
Ориентация выреза перегородки
Срез перегородки может быть выполнен:
- Горизонтально (линия среза перпендикулярна патрубку)
- Вертикально (линия среза параллельна патрубку)
Горизонтальный вырез
Для вязких жидкостей, проходящих в межтрубном пространстве, используют горизонтальное расположение выреза в перегородке. Такое расположение отверстия не дает более тяжелым фракциям потока оседать на дне аппарата, в отличие от вертикального выреза.
Ниже представлен теплообменник с перегородками с вертикальным вырезом.
Вертикальный вырез
Вертикальное расположение выреза в перегородке используют в следующих случаях:
- Конденсация — для лучшего стекания и дренажа конденсата;
- Испарение/кипение — при данных процессах возможна ситуация, когда поток расслаивается на жидкость и газ; газ идет в верхней части аппарата, а жидкость в нижней, чтобы снизить это явление используют вертикальные срез перегородок;
- Наличие твердых частицы в жидкости;
- Наличие продольных перегородок.
Ниже представлен теплообменник с перегородками с горизонтальным вырезом.
Оптимальный вырез перегородки
Площадь выреза перегородки, как правило, измеряется в процентах или долях относительно площади поперечного сечения внутреннего диаметра кожуха.
Вырез перегородки имеет меньшее влияние на теплогидравлическую составляющую аппарата по сравнению с шагом.
Вырез перегородки варьируется в пределах 15 — 45% от внутреннего диаметра кожуха.
Очень маленький вырез перегородок, как и очень большой, приводят к нерациональному соотношению теплоотдачи и перепада давления. В обоих этих случаях образуются турбулентные завихрения, которые не передают тепло и приводят к повышенному перепаду давления. Примеры такого размещения перегородок продемонстрированы ниже (случаи 1 и 2), а также случай 3 при оптимальном вырезе.
Поэтому, рекомендуется применять перегородки с вырезом в пределах 20 — 35%, чтобы избежать этих ситуаций.
Для жидкости, имеющей склонность к сильному загрязнению теплообменной поверхности, рекомендуется применять срез не более 25% от внутреннего диаметра кожуха. При таком исполнении поток будет иметь меньшее количество застойных зон.
Оптимальный шаг перегородки
Для турбулентного течения в межтрубном пространстве (Re>1000) коэффициент теплоотдачи возрастает в степени 0,6 — 0,7, в то время как перепад давления в степени 1,7 — 2.
Для ламинарного течения эти значения 0,33 и 1 соответственно.
Таким образом, если уменьшать шаг перегородки, то перепад давления в межтрубном аппарате возрастает приблизительно в 2,5 — 3,3 раза быстрее, чем теплоотдача.
Оптимальный шаг перегородки находится, как правило, в диапазоне 0,3 — 0,6 от внутреннего диаметра кожуха.
Недостатки
К недостаткам односегментных перегородок можно отнести наличие байпасных потоков между трубным пучком и кожухом, а также значительное гидравлическое сопротивление.
Многосегментные перегородки
Если перепад давления, вызванный перегородками слишком большой или необходимо больше поддержек трубного пучка, чтобы предотвратить вибрацию, можно использовать двух- или даже трехсегментные перегородки.
К таким перегородкам можно также отнести перегородки типа «Диск-Кольцо«. Положительным эффектом их применения можно назвать дополнительную блокировку байпасных потоков между трубным пучком и стенкой кожуха, а также пониженный перепад давления по сравнению с односегментным типом.
При слишком сильной вибрации пучка, например в газоохладителе, могут быть использованы перегородки типа NTIW (no tube in window). В местах среза перегородки трубы отсутствуют, что увеличивает жесткость пучка, но и увеличивает диаметр кожуха, необходимый для данной теплообменной поверхности. Эти перегородки используются только в случаях, когда другие конструктивные меры не помогают избежать вибрации труб.
Специальные виды перегородок
Также существуют некоторые другие конструкции для поддержки трубного пучка, которые тоже можно отнести к перегородкам. Их используют при необходимости минимального сопротивления потоку и, в тоже время, придания определенной жесткости пучка труб.
Перегородки типа Square-One
Продольные перегородки
Продольные перегородки устанавливают в двух случаях:
- Установка противоточного движения при двух ходовом исполнении пучка в стандартном кожухе (тип F по стандарту TEMA);
- В случае использования кожуха с патрубками , расположенными по центру кожуха (тип G или H по стандарту TEMA). При такой конструкции поток омывает только центральную часть труб, поэтому устанавливают центральную продольную перегородку.
