Что такое плавающая головка в 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.
Теплообменник с плавающей головкой.
Другим часто встречающимся в практике аппаратом, относящимся к группе прочно-плотных конструкций, является теплообменник Теплообменниками называются аппараты, применяемые для нагревания или охлаждения обрабатываемых веществ.
Назначение теплообменника с плавающей головкой.
Частным случаем трубчатых теплообменников может служить теплообменник с плавающей головкой (рис. 1). Аппарат предназначен для подогрева паром, пропускаемым внутри корпуса аппарата жидкости, циркулирующей по трубкам. Аппарат состоит из корпуса 7, трубчатки 8 и двух днищ 2 и 10.
Устройство теплообменника с плавающей головкой.
Рис. 1. Теплообменник с плавающей головкой.
Корпус аппарата, изготовленный из стали марки Ст. 3, представляет собой обечайку 9 диаметром 700 мм и толщиной стенки 20 мм с приваренными фланцами 4. Внутрь корпуса аппарата закладывается трубчатка 8, состоящая из двух трубных решеток 12 и 15 и большого числа прямых труб 6, развальцованных в трубных решетках. Один конец трубчатки присоединяется трубной решеткой 15 к фланцу корпуса на болты, а другой закрывается крышкой 11, кото рая стягивается с кольцом 13 болтами, но не присоединяется к корпусу.
Теплообменник такого типа носит название теплообменника с плавающей головкой.
Второй конец корпуса закрывается крышкой 10, состоящей из фланца, обечайки и сферического днища. К трубной решетке 15 винтами присоединяется крышка 2, состоящая из фланца, обечайки и сферического днища, разделенная на две секции перегородкой 3. К каждой секции днища подходит по два штуцера 1 и 16.
Монтаж теплообменника с плавающей головкой.
Корпус аппарата устанавливается на опоры. Аппарат состоит из межтрубного и трубного пространства. Крышка 2, трубы 6, крышка 11 составляют трубное пространство. В межтрубное пространство входят корпус 7 и крышка 10.
Работа теплообменника с плавающей головкой.
В трубное пространство по штуцеру 1 подается подогреваемая жидкость под давлением 40 ат, с начальной температурой в 20°.
Одновременно через штуцер 14 в межтрубное пространство поступает пар под давлением 20 ат. Пар, омывая трубки с жидкостью, повышает ее температуру до 60°.
Для лучшего нагрева жидкость подается только в половину груб, проходит до крышки 11, возвращается по второй половине труб в крышку 2 и отводится через штуцер 16. Пар выходит через штуцер 5. Кроме основных штуцеров, аппарат имеет ряд штуцеров для присоединения манометра, спуска конденсата и жидкости. Во время работы трубки нагреваются и удлиняются. Плавающая головка обеспечивает перемещение свободного конца трубчатки, не вызывая деформации труб или трубных решеток.
Корпус аппарата и днища свариваются автоматической и ручной сваркой.
Теплообменники с плавающей головкой (тип ТП)
Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой, предназначенный для охлаждения (нагревания) жидких или газообразных сред без изменения агрегатного состояния. Не закрепленная на кожухе вторая трубная решетка вместе с внутренней крышкой, отделяющей трубное пространство от межтрубного, образует так называемую плавающую головку. Такая конструкция исключает температурные напряжения в кожухе и в трубах. Эти теплообменники, нормализованные в соответствии с ГОСТ 27601-88, могут быть двух- или четырехходовыми, горизонтальными длиной 3, 6 и 9 м или вертикальными высотой 3 м [9].
Горизонтальный двухходовый конденсатор типа ТП (рисунок 2.10) состоит из кожуха 10 и трубного пучка. Левая трубная решетка 1 соединена фланцевым соединением с кожухом и распределительной камерой 2, снабженной перегородкой 4 и закрытой плоской крышкой 3. Правая, подвижная трубная решетка установлена внутри кожуха свободно и образует вместе с присоединенной к ней крышкой 8 плавающую головку. При нагревании и удлинении трубок плавающая головка перемещается внутри кожуха. С правой стороны к корпусу крепится, как правило, эллиптическая крышка 7.
Для обеспечения свободного перемещения трубного пучка внутри кожуха в аппаратах диаметром 800 мм и более трубный пучок снабжают опорной платформой 6. Верхний штуцер 9 предназначен для ввода пара и поэтому имеет большое проходное сечение; нижний штуцер 5 меньших размеров предназначен для вывода конденсата.
 |  |
| а – конструктивная схема аппарата | б – вид со стороны распределительной камеры |
 | |
| в – вид со снятой крышкой на плавающую головку | |
| Рисунок 2.10 – Горизонтальный двухходовый конденсатор с «плавающей головкой» |
Значительные коэффициенты теплоотдачи при конденсации практически не зависят от режима движения среды. Поперечные перегородки в межтрубном пространстве этого аппарата служат лишь для поддержания труб и придания жесткости трубному пучку.
Аппараты с плавающей головкой обычно выполняют одноходовыми по межтрубному пространству, однако установкой продольных перегородок в межтрубном пространстве можно получить многоходовые конструкции. На рисунке 2.11 показаны двухходовые по межтрубному пространству теплообменники.
 |  |
| а – цельной | б – разрезной |
| Рисунок 2.11 – Двухходовый теплообменник с «плавающей головкой [15] |
Теплообменники с постоянным диаметром по всей длине удобны при сборке. Сборка теплообменников с переменным по длине диаметром (рисунок 2.12) затруднена, так как плавающую головку (по габаритным размерам) в собранном виде невозможно поместить в кожух без трубчатки. Теплообменники с постоянным диаметром не имеют этого недостатка, так как плавающую головку можно собирать и разбирать вне и внутри кожуха. Кроме того, теплообменники с постоянным диаметром по длине предпочтительнее теплообменников с переменным диаметром потому, что при очистке их межтрубного пространства не приходится разбирать плавающую головку.
 |  |
| а – с постоянным диаметром | Б – с переменным диаметром |
| Рисунок 2.12 – Теплообменник с «плавающей головкой» [10] |
Для эффективной работы теплообменника желательно, чтобы средняя часть была выполнена с наименьшим диаметром; при этом обеспечивается наибольшая скорость продукта и, следовательно, создаются оптимальные условия для теплопередачи. Это и является причиной изготовления теплообменников с переменным диаметром по длине. Однако уменьшать диаметр средней части аппарата имеет смысл лишь при значительных размерах плавающей головки. При применении малогабаритной плавающей головки отпадает необходимость в изготовлении теплообменников переменного диаметра. Малогабаритная плавающая головка свободно располагается и в наименьшем сечении кожуха [10].
Наиболее важный узел теплообменников с плавающей головкой – соединение плавающей трубной решетки с крышкой. Это соединение должно обеспечивать возможность легкого извлечения пучка из кожуха аппарата, а также минимальный зазор ∆ между кожухом и пучком труб. Вариант, показанный на рисунке 2.13, позволяет извлекать трубный пучок, но зазор ∆ получается больше (по крайней мере, чем в теплообменниках типа ТН) на ширину фланца плавающей головки. Крепление по этой схеме наиболее простое; его часто применяют в испарителях с паровым пространством.
Рисунок 2.13 – Вариант размещения плавающей головки в кожухе
большего диаметра [15]
Размещение плавающей головки внутри крышки, диаметр которой больше диаметра кожуха, позволяет уменьшить зазор; но при этом усложняется демонтаж аппарата, так как плавающую головку нельзя извлечь из кожуха теплообменника (рисунок 2.14).
Рисунок 2.14 – Вариант размещения крышки плавающей головки в кожухе меньшего диаметра [15]
Конструкции крепления плавающей головки с трубной решеткой, позволяющие легко извлекать трубный пучок из кожуха при минимальном зазоре ∆ между трубным пучком и кожухом, показаны на рисунке 2.15. В одном из таких простых соединений использованы разрезные фланцы (рисунок 2.15, а). Конструкция включает разрезной фланец 1 (состоит из двух полуколец, стянутых ограничительным кольцом 2), уплотняющую прокладку 3, крышку 4 плавающей головки и трубную решетку 5.
 |  |
| а – разрезным фланцем | б – разрезной фланцевой скобой |
 |  |
| в – разрезным кольцом | г – разрезным стяжным кольцом |
| Рисунок 2.15 – Способы крепления крышки «плавающей головки» к трубной решетке [15] |
Широко распространены соединения фланцевой скобой 2 (рисунок 2.15, б), представляющей собой приспособление типа струбцины. Соединение состоит из двух полуколец, охватывающих край трубной решетки 4 и фланец 3 крышки. Винты 1 должны быть расположены посередине уплотнения, что обеспечивает разгрузку фланца от изгибающих моментов.
В другой конструкции (рисунок 2.15, в) накидной фланец удерживается разрезным кольцом, вставленным в паз трубной решетки 4. Широко применяют также крепление крышки (рисунок 2.15, г) и трубной решетки 3 разрезным кольцом 1, половинки которого соединены между собой накладками 2 [15].
2.4.1 Плавающая головка.
2.4.1.1 Типовые конструкции крышек плавающей головки показаны на рисунке 2.16.
 |  |  |
| а – конструкция кольцо-днище | b – конструкция фланец-днище | c- цельная конструкция |
| 1 – кольцо; 2 – прокладка; 3 – днище; 4 – сварной шов с полным проплавлением; 5 – фланец; 6 – цельная механически обработанная крышка Рисунок 2.16 – Типовые конструкции крышек плавающих головок [11] |
Высота крышки плавающей головки аппарата одноходового по трубам должна быть не менее 1/3 внутреннего диаметра штуцера на крышке.
Высота крышки плавающей головки аппарата двухходового по трубам должна быть такой, чтобы площадь ее центрального сечения не менее чем в 1,3 раза превышала площадь проходного сечения труб одного хода [11].
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.
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.