Схема теплообменника с неподвижными трубными решетками приведена на рисунке 2.3. В кожухе 1 размещен трубный пучок, теплообменные трубы 2 которого развальцованы в трубных решетках 3, жестко соединенных с кожухом. С торцов кожух аппарата закрыт распределительными камерами 4 и 6. Кожух и камеры соединены фланцами. Для обеспечения направленного движения теплоносителя в межтрубном пространстве устанавливают перегородки 5.
Для подвода и отвода рабочих сред (теплоносителей) аппарат снабжен штуцерами. Теплоноситель А в этих аппаратах движется по трубам, теплоноситель Б – в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб.
Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху, в связи с чем исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха, поэтому аппараты данного типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции.
Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным, в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена.
Рисунок 2.3 – Одноходовый кожухотрубчатый теплообменник
В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения больших коэффициентов теплоотдачи необходимы достаточно высокие скорости теплоносителей: для газов от 8 до 30 м/с, для жидкостей не менее 1,5 м/с. Скорость теплоносителей обеспечивают при проектировании соответствующим подбором площади сечения трубного и межтрубного пространств.
Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то проводят тепловой расчет и определяют коэффициент теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной камере. Промышленностью выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые теплообменники жесткой конструкции.
Двухходовый горизонтальный теплообменник (рисунок 2.4) состоит из цилиндрического сварного кожуха 8, распределительной камеры 11 и двух крышек 4. Трубный пучок образован трубами 7, которые закреплены в двух трубных решетках 3, приваренных к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцер для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцер 2, 10) и межтрубного (штуцер 2,10) пространств. Перегородка 13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка 14, уложенная в паз решетки 3.
Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки 6, обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство предусмотрен отбойник 9 - круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.
Рисунок 2.4 – Двухходовый горизонтальный теплообменник с неподвижными решетками [15]
Теплообменники типа ТН отличаются простым устройством и сравнительно дешевы, однако им присущи два существенных недостатка.
Во-первых, наружную поверхность труб невозможно очистить от загрязнений механическим способом, а теплоносители в ряде случаев могут содержать примеси, которые оседают на поверхности труб в виде накипи, отложений и др. Слой таких отложений имеет малый коэффициент теплопроводности и способен весьма существенно ухудшить теплопередачу в аппарате.
Во-вторых, область применения теплообменных аппаратов типа ТН ограничена возникновением, так называемых, температурных напряжений в кожухе и трубах аппарата. Это явление объясняется тем, что при работе теплообменника кожух и трубы претерпевают разные температурные деформации, поскольку температура кожуха близка к температуре теплоносителя, циркулирующего в межтрубном пространстве, а температура труб - к температуре теплоносителя в трубном пространстве. Разность температурных удлинений возрастает, если кожух и трубы изготовлены из материалов с различными температурными коэффициентами линейного расширения. Возникающие при этом напряжения в сумме с напряжениями от давления среды в аппарате могут вызвать устойчивые деформации и даже разрушение конструкций.
По указанной причине теплообменники типа ТН используют при небольшой разности температур (менее 50 °С) кожуха и труб, когда еще возможна самокомпенсация конструкции. Однако многие аппараты типа ТН, серийно выпускаемые отечественной промышленностью, рекомендованы для работы при еще меньшей разности температур (менее 40 °С). Чтобы исключить значительные температурные напряжения, при пуске аппаратов типа ТН теплообменную среду сначала направляют в межтрубное пространство для выравнивания температур кожуха и труб, а затем среду вводят в трубы.
Если расчетная разность температур кожуха и труб превышает указанную, используют теплообменные аппараты с частичной (тип ТК или ПК) или полной (тип ТУ или ТП) компенсацией температурных напряжений [3].