Перегородки теплообменника

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:

1. поперечные
2. 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.

Видео: односегментные и спиральные (Helix) перегородки