Кожухотрубный (кожухотрубчатый) теплообменник. Конструкции кожухотрубчатых теплообменных аппаратов

История кожухотрубных теплообменников

Впервые аппараты такого рода были разработаны в самом начале ХХ века, когда у тепловых станций возникла потребность в теплообменниках, обладающих большой поверхностью теплообмена, и способных работать при достаточно высоком давлении.

Сегодня кожухотрубные теплообменники используются в качестве подогревателей, конденсаторов и испарителей. Опыт многолетней эксплуатации, многочисленные конструкторские разработки привели к значительному усовершенствованию их конструкции.

Тогда же, в начале прошлого века, кожухотрубные теплообменники начали широко применять и в нефтяной промышленности. Тяжелые условия нефтепереработки требовали нагреватели и охладители нефтяной массы, конденсаторы и испарители для отдельных фракций сырой нефти и органических жидкостей.

Высокие температура и давление, при которых работала аппаратура, свойства самой нефти и ее фракций приводили к быстрому загрязнению отдельных частей аппаратов. В связи с этим теплообменники должны были обладать такими конструктивными особенностями, которые бы обеспечивали легкость их очистки и при необходимости - ремонта.

Варианты исполнения

Со временем кожухотрубные теплообменники получили широчайшее применение. Это определялось простотой и надежностью конструкции, а также большим числом возможных вариантов исполнения, подходящих для различных условий эксплуатации, в том числе:

вертикальное или горизонтальное исполнение теплообменника, кипение или конденсация, однофазные потоки теплоносителя на горячей или холодной стороне аппарата;

возможный рабочий диапазон давлений от вакуума до довольно высоких значений;

возможность изменения перепадов давления в широких пределах по обеим сторонам теплообменной поверхности как следствие большого числа вариантов конструкций.

возможность удовлетворения требований по термическим напряжениям, не повышая существенно стоимость аппарата;

размеры аппаратов - от маленьких до самых больших, до 6000 м²;

материалы могут быть подобраны в зависимости от требований к коррозии, давлению и температурному режиму, с учетом их соответствующей стоимости;

поверхности теплообмена могут быть использованы как внутри труб, так и снаружи;

возможность доступа к пучку труб для их ремонта или очистки.

Однако широкие области применения кожухотрубных теплообменников при подборе наиболее подходящих вариантов для каждого конкретного случая не должны исключать и поиск альтернативных вариантов.

Составные части

Составные части кожухотрубных теплообменников: пучки труб, укрепленные в трубных решетках, крышки, кожухи, патрубки, камеры и опоры. Трубное и межтрубное пространства в них чаще всего разделены перегородками.

Принципиальные схемы и типы

Принципиальные схемы наиболее широко распространенных типов кожухотрубных теплообменников представлены на рисунке:

Кожух теплообменника - это труба, сваренная из стальных листов. Различие кожухов состоит главным образом в способе соединения корпуса с трубной решеткой и с крышками. Толщину стенки кожуха выбирают в зависимости от рабочего давления среды и его диаметра, но в основном принимают не менее 4 мм. К кромкам кожуха посредством фланцев приваривают крышки или днища. Снаружи к кожуху крепятся опоры аппарата.

В кожухотрубных теплообменниках общее эффективное сечение межтрубного пространства обычно больше в 2-3 раза, чем соответствующее сечение труб. Поэтому независимо от разности температур теплоносителей и их фазового состояния общий коэффициент теплопередачи лимитируется поверхностью межтрубного пространства и остается невысоким. С целью его повышения устанавливают перегородки, что увеличивает скорость теплоносителя и повышает эффективность теплообмена.

Пучок труб закрепляется в трубных решетках различными методами: с помощью разбортовки, развальцовки, запайки, заварки или сальниковыми креплениями. Трубные решетки привариваются к кожуху (Тип 1 и 3), либо зажимаются болтами между фланцами крышки и кожуха (Тип 2 и 4), или же соединяются болтами лишь с фланцем (Тип 5 и 6). В качестве материала для решетки используется обычно листовая сталь, толщина которой должна быть не меньше 20 мм.

Данные теплообменники различаются по конструкции: жесткой (Тип 1 и 10), полужесткой (Тип 2, 3 и 7) и нежесткой (Тип 4, 5, 6, 8 и 9), по способу движения теплоносителя - многоходовые и одноходовые, прямоточные, поперечноточные и противоточные, и по способу расположения - вертикальные, горизонтальные и наклонные.

На рисунке Тип 1 представлен одноходовой теплообменник жесткой конструкции с прямыми трубками. Кожух жестко связан с трубками решетками, возможность компенсации тепловых удлинений отсутствует. Конструкция таких аппаратов проста, но их можно применять только при не очень большой температурной разности между пучком труб и корпусом (до 50°C). Кроме того, коэффициент теплопередачи в аппаратах такого типа низок, потому что скорость теплоносителя в межтрубном пространстве невысока.

В кожухотрубных теплообменниках сечение межтрубного пространства обычно в 2-3 раза больше, чем соответствующее сечение труб. Поэтому на общий коэффициент теплопередачи влияет не столько разность температур теплоносителей или их фазовое состояние, напротив, он лимитируется поверхностью межтрубного пространства и остается невысоким. С целью его повышения в межтрубном пространстве делают перегородки, что несколько увеличивает скорость теплоносителя и тем самым повышает эффективность теплообмена.

Перегородки, установленные в межтрубном пространстве, увеличивая скорость теплоносителя, повышают коэффициент теплоотдачи.

В парожидкостных теплообменниках обычно в межтрубном пространстве пропускают пар, а жидкость идет по трубам. При этом разность температур труб и стенки корпуса обычно очень велика, что требует установки различного вида компенсаторов. В этих случаях используют линзовые (Тип 3), сильфонные (Тип 7) сальниковые (Тип 8 и 9), компенсаторы.

Однокамерные теплообменники с W - или чаще U -образными трубами также эффективно устраняют тепловые напряжения в металле. Их целесообразно использовать при высоких давлениях теплоносителей, так как в аппаратах высокого давления крепление труб в решетках - операции дорогие и технологически сложные. Однако теплообменники с гнутыми трубами также не получили широкого распространения в связи с трудностью получения труб с различными радиусами изгиба, сложностью замены гнутых труб и проблемами, возникающими при их очистке.

Конструкция теплообменника, предусматривающая жесткое крепление одной трубной решетки и свободное перемещение второй, более совершенна. В этом случае устанавливается дополнительная внутренняя крышка, которая относится непосредственно к трубной системе (Тип 6). Незначительное удорожание аппарата, связанное с увеличением диаметра корпуса и изготовлением второго, дополнительного, днища, оправдывается надежностью в эксплуатации и простотой конструкции. Такие аппараты называют теплообменниками «с плавающей головкой».

Теплообменники поперечного тока (Тип 10) отличает повышенный коэффициент теплоотдачи, так как теплоноситель в межтрубном пространстве движется поперек пучка труб. В некоторых видах таких теплообменников при использовании в межтрубном пространстве газа, а в трубах - жидкости, коэффициент теплоотдачи дополнительно повышают, применяя трубы с поперечными ребрами.

Принцип действия кожухотрубных теплообменников:

Виды кожухотрубных теплообменников:

подогреватели водоводяные;
охладители воды и масел компрессоров и дизелей;
подогреватели пароводяные;
маслоохладители различных типов турбин, гидравлических прессов, насосных и компрессорных систем, силовых трансформаторов;
охладители и подогреватели воздуха;
охладители и подогреватели пищевых сред;
охладители и подогреватели, использующиеся в нефтехимии;
подогреватели воды в бассейнах;
испарители и конденсаторы холодильных установок.

Сфера и область применения

Кожухотрубные теплообменники применяются в промышленных морозильных установках, в нефтехимической, химической и пищевой отраслях, для тепловых насосов в системах водоочистки и канализации.

Кожухотрубные теплообменники находят применение в химической и тепловой промышленности для теплообмена между жидкостными, газо- и парообразными теплоносителями в термохимических процессах, и сегодня являются наиболее широко распространенными аппаратами.

Преимущества:

Надежность кожухотрубных теплообменников в эксплуатации:

Кожухотрубные теплообменные аппараты с легкостью выдерживают резкие изменения температуры и давления. Пучки труб не разрушаются при вибрации и гидравлических ударах.

Слабая загрезняемость аппаратов

Трубы этого типа теплообменников загрязняются мало и их можно довольно легко очистить кавитационно-ударным методом, химическим, или - для разборных аппаратов- механическим способами.

Длительный срок службы

Срок службы довольно длительный - до 30 лет.

Адаптируемость к различным средам

Кожухотрубные теплообменники, применяемые сегодня в промышленности, адаптированы к самым различным технологическим средам, в том числе к санитарной, морской и речной воде, нефтепродуктам, маслам, химически активным средам, и даже самые агрессивные среды практически не снижают надежность теплообменных аппаратов.

Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия весьма разнообразны. Рассмотрим наиболее характер­ные.

Кожухотрубчатые теплообменники представля­ют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скреплен­ных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухами и крышками с патрубками. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Перегород­ки предназначены для увеличения скорости и, следовательно, коэффициента теплоотдачи теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между различны­ми жидкостями, между жидкостями и паром, между жидкостя­ми и газами. Типовые конструкции кожухотрубчатых теплооб­менников применяются в случаях, когда требуется большая поверхность теплообмена.

При нагреве жидкости паром в большинстве случаев пар вво­дится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость проте­кает по трубкам. В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2... 3 раза больше проходно­го сечения внутри труб. Поэтому при одинаковых расходах тепло­носителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, скорости теплоносителя в межтрубном пространстве более низкие и коэф­фициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного простран­ства невысоки, что снижает коэффициент теплопередачи в аппа­рате. На рис. 4.5 показаны различные типы кожухотрубчатых теп­лообменников.

Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Так, конденсатор современной паровой тур­бины мощностью 300 МВт имеет более 20 тыс. труб с общей по­верхностью теплообмена около 15 тыс. м 2 .

Корпус (кожух) кожухотрубчатого теплообменника представ­ляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких сталь­ных листов. Кожухи различаются, главным образом, способом со­единения с трубной решеткой и крышками. Толщина стенки ко­жуха определяется максимальным давлением рабочей среды и ди­аметром аппарата, но не меньше 4 мм. К цилиндрическим кром­кам кожуха привариваются фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха привариваются патрубки и опоры аппарата.

Трубки кожухотрубчатых аппаратов изготовляют прямыми или изогнутыми (U-образными) диаметром от 12 до 57 мм.

Материал трубок выбирается в зависимости от среды, омыва­ющей ее поверхность. Применяются трубки из стали, латуни и специальных сплавов.

Трубные решетки служат для закрепления в них труб при по­мощи развальцовки, заварки, запайки или сальниковых соедине­ний. Трубные решетки зажимаются болтами между фланцами ко­жуха и крышки или привариваются к кожуху, либо соединяются болтами только с фланцами свободной камеры (см. рис. 4.5).

Рис. 4.5. Типы кожухотрубчатых теплообменников:

а - одноходовый; б - многоходовый; в - пленочный; г - с линзовым компен­сатором; д - с плавающей головкой закрытого типа; е - с плавающей головкой открытого типа; ж - с сальниковым компенсатором; з - с U-образными труб­ками; 1 - кожух; 2 - выходная камера; 3 - трубная решетка; 4 - трубы; 5 - входная камера; 6 - продольная перегородка; 7 - камера; 8 - перегородки в камере; 9 - линзовый компенсатор; 10 - плавающая головка; 11 –сальник; 12 - U-образные трубы; I, II - теплоносители

Крышки кожухотрубчатых аппаратов имеют форму плоских плит, конусов, сфер, а чаще всего выпуклых или вогнутых эллип­сов.

Секционные теплообменники (рис. 4.6) представля­ют собой разновидность трубчатых аппаратов и состоят из несколь­ких последовательно соединенных секций, каждая из которых пред­ставляет собой кожухотрубчатый теплообменник с малым числом труб и кожухом небольшого диаметра.

В секционных теплообменниках при одинаковых расходах жид­костей скорости движения теплоносителей в трубах и межтруб­ном пространстве почти равновелики, что обеспечивает повы­шенные коэффициенты теплопередачи по сравнению с обыч­ными трубчатыми теплообменниками. Простейшим из этого типа является теплообменник «труба в трубе» (в наружную трубу встав­лена труба меньшего диаметра). Все элементы аппарата соедине­ны сваркой.

Рис. 4.6. Секционные теплообменники:

а - водяной подогреватель теплосети; б - типа «труба в трубе»; 1 - линзовый компенсатор; 2 - трубки; 3 - трубная решетка с фланцевым соединением с кожухом; 4 - «калач»; 5 - соединительные патрубки

Недостатками секционных теплообменников являются: высо­кая стоимость единицы поверхности нагрева, так как деление ее на секции вызывает увеличение количества наиболее дорогих эле­ментов аппарата - трубных решеток, фланцевых соединений, переходных камер, компенсаторов и т.д.; значительные гидрав­лические сопротивления вследствие различных поворотов и пере­ходов вызывают повышенный расход электроэнергии на привод прокачивающего теплоноситель насоса.

Кожухи серийных секционных теплообменников изготовляют из труб длиной до 4 м, внутренним диаметром от 50 до 305 мм. Число труб в секции составляет от 4 до 151, поверхность нагрева от 0,75 до 26 м 2 , трубы латунные диаметром 16/14 мм. Отношение поверхно­сти нагрева к объему теплообменника достигает 80 м 2 /м 3 , а удель­ный конструкционный вес составляет 50...80 кг/м 2 поверхности нагрева.

Спиральные теплообменники (рис. 4.7) состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, по которым движутся теплоносители I и II. Каналы образуются металлически­ми листами, которые служат поверхностью теплообмена. Внут­ренние концы спиралей соединены разделительной перегородкой. Для обеспечения жесткости конструкции и фиксирования рас­стояния между спиралями приваривают бобышки. С торцов спи­рали закрывают крышками и стягивают болтами.

Горизонтальные спиральные теплообменники применяют для теплообмена между двумя жидкостями. Для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью используют вертикаль­ные спиральные теплообменники. Такие теплообменники приме­няют в качестве конденсаторов и паровых подогревателей для жид­кости.

Рис. 4.7. Типы спиральных теплообменников:

а - горизонтальный; б - вертикальный; 1, 3 - листы; 2 - разделительная перегородка; 4 - крышки; I, II - теплоносители

К достоинствам спиральных теплообменников можно отнести компактность (большая поверхность теплообмена в единице объ­ема, чем у многоходовых трубчатых теплообменников) при оди­наковых коэффициентах теплопередачи и меньшее гидравличес­кое сопротивление для прохода теплоносителей. К недостаткам - сложность изготовления и ремонта и пригодность работы под из­быточным давлении не свыше 1,0 МПа.

Пластинчатые теплообменники имеют плоские по­верхности теплообмена. Обычно такие теплообменники применя­ют для теплоносителей, коэффициенты теплоотдачи которых оди­наковы.

Недостатками изготовлявшихся до недавнего времени пластин­чатых теплообменников являлись малая герметичность и незначи­тельные перепады давлений между теплоносителями.

В последнее время изготовляют компактные разборные плас­тинчатые теплообменники, состоящие из штампованных метал­лических листов с внешними выступами, расположенными в ко­ридорном или шахматном порядке. Такие конструкции приме­няются для теплообмена между жидкостями и газами и работают при перепадах давлений до 12 МПа. На рис. 4.8 представлено не­сколько конструкций теплообменников такого типа. Благодаря незначительному расстоянию между пластинами (6...8 мм) такие теплообменники весьма компактны. Удельная поверхность нагре­ва F/V составляет 200...300 м 2 /м 3 . Поэтому пластинчатые теплооб­менники в ряде случаев вытесняют трубчатые и спиральные.

Но такой конструкции присущи следующие недостат­ки: трудность чистки внутри каналов, ремонта, частичной заме­ны поверхности теплообмена, а также невозможность изготовле­ния пластинчатых теплообменников из чугуна и хрупких матери­алов и длительная эксплуатация.

В настоящее время в системах теплоснабжения жилищно-ком­мунальных хозяйств и ряда промышленных предприятий в каче­стве подогревателей горячего водоснабжения (ГВС) и отопления устанавливаются пластинчатые теплообменники (рис. 4.8) вместо ранее используемых для этих целей традиционных секционных кожухотрубных подогревателей. Это связано с целым рядом обстоя­тельств и преимуществ:

1. Коэффициент теплопередачи в пластинчатых теплообменни­ках в 3...4 раза больше, чем в кожухотрубных, благодаря специальному гофрированному профилю проточной части пластины, обеспечивающему высокую степень турбулизации потоков тепло­носителей. Соответственно в 3...4 раза поверхность пластинчатых теплообменников меньше, чем кожухотрубных.

Рис. 4.8. Пластинчатый водоводяной теплообменник «Теплотекс»:

а - общий вид; б - схема движения теплоносителей

2. Пластинчатые теплообменники имеют малую металлоем­кость, очень компактны, их можно установить в небольшом по­мещении.

3. В отличие от кожухотрубных они легко разбираются и быстро чистятся. При этом не требуется демонтаж подводящих трубопро­водов.

4. В пластинчатом теплообменнике можно легко и быстро заме­нить пластину или прокладку, а также увеличить его поверхность, если со временем возрастет тепловая нагрузка.

Секционные кожухотрубные теплообменники трудно точно рас­считать на требуемую тепловую производительность и допусти­мые потери напора, так как поверхность одной секции велика и Достигает 28 м 2 (при D y = 300 мм).

Пластинчатые теплообменники набираются из отдельных пла­стин, поверхность нагрева которых, как правило, не превышает одного метра. Это обстоятельство в сочетании с оптимально выб­ранным типом пластины позволяет точно без лишнего запаса выб­рать теплопередающую поверхность теплообменника.

По своим техническим характеристикам теплообменники «Теплотекс» являются разборными и одноходовыми; материал пласти­ны - сталь ALSL 316; толщина пластины - 0,5 ...0,6 мм; матерная прокладки - резина EPDM; максимальная рабочая температуря теплоносителя - 150 °С; рабочее давление - 1... 2,5 МПа; расходы воды в зависимости от типа теплообменника от 2 до 100 кг/с; поверхность - от 1,5 до 373 м 2 .

Ребристые теплообменники применяются в тех случаях, когда коэффициент теплоотдачи для одного из теплоно­сителей значительно ниже, чем для второго. Поверхность теп­лообмена со стороны теплоносителя с низким значением α уве­личивают по сравнению с поверхностью теплообмена со стороны другого теплоносителя. В таких аппаратах поверхность теплообмена имеет на одной стороне ребра различной формы (рис. 4.9). Как видно из рисунка, ребристые теплообменники изготовляют самых различных конструкций. При этом ребра выполняю» поперечными, продольными, в виде игл, спиралей, из витой проволоки и т.д.

Рис. 4.9. Типы ребристых теплообмен­ников:

а - пластинчатый; б - чугунная труба с круглыми ребрами; в - трубка со спираль­ным оребрением; г - чугунная труба с внут­ренним оребрением; д - плавниковое оребрение трубок; е - чугунная труба с двусто­ронним игольчатым оребрением; ж - про­волочное (биспиральное) оребрение трубок; з - продольное оребрение труб; и - много­ребристая трубка

Техническое описание

Кожухо-трубные теплообменники производства Геоклима – достаточно сложное устройство, и существует множество его разновидностей. Относятся к виду рекуперативных. Деление теплообменников на виды производится в зависимости от направления движения теплоносителя.

Виды кожухотрубных теплообменников:

• перекрестноточными;
• противоточными;
• прямоточными.

Кожухотрубные теплообменники получили такое название потому, что тонкие трубки, по которым движется теплоноситель, находятся в середине основного кожуха. От того, какое количество трубок находится в середине кожуха, зависит то, с какой скоростью будет двигаться вещество. От скорости движения вещества будет зависеть, в свою очередь, коэффициент теплопередачи. Кожухотрубные теплообменные аппараты CROM / GEOCLIMA служат для нагревания/охлаждения, конденсации/испарения разных жидких и парообразных сред в разных процессах производства.

Производство кожухо-трубных теплообменников в России, делает следующие типы аппаратов:

• Теплообменники кожухотрубные Геоклима для сжатых газов
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима для рекуперации тепла выхлопных газов
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима для охлаждения биогаза
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима – пар/вода
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима для CO 2
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима из специальных материалов (inox 304, 316, 316L, 316Ti, 321, 90Cu10NiFe, 70Cu30NiFe, углеродная сталь, титан)
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима с коаксиальными трубками. (используются для нагрева охлаждения газов, масел, агрессивных сред, рекуперации тепла отходящих дымовых газов. Рабочие условия кожухотрубных теплообменников с коаксиальными трубками CROM; давление -300АТМ, температура +600*С.
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима затопленного типа (циркуляция хладогента происходит в межтрубном пространстве, а циркуляция воды происходит по трубам).

Особенности

Применение передовых разработок и технологий при создании кожухотрубных теплообменников обеспечивают предельную эффективность теплообмена при одинаковых размерах.

Для изготовления кожухотрубных теплообменников используются легированные и высокопрочные стали. Такие виды сталей используется потому, что данные устройства, как правило, работают в крайне агрессивной среде, которая способна вызывать коррозию.

Теплообменники разделяются также на типы. Производят следующие типы данных устройств:

• c температурным кожуховым компенсатором;
• c неподвижными трубками;
• c U-образными трубками;
• c плавающей головкой;
• возможно также комплексное применение различных конструкционных решений, например, в одной конструкции могут быть использованы плавающая головка и термокомпенсатор.

Кожухотрубные аппараты по функциям классифицируются:

• Теплообменники универсальные;
• Испарители;
• Конденсаторы;
• Холодильники;

По расположению теплообменники бывают:

• Горизонтальные;
• Вертикальные

Отличительные свойства оборудования:
Основным, и наиболее весомым достоинством является высокая стойкость данного типа агрегатов к гидроударам. Большинство производимых сегодня видов теплообменников таким качеством не обладают.

Вторым преимуществом является то, что кожухотрубные агрегаты не нуждаются в чистой среде. Большинство приборов в агрессивных средах работают нестабильно. Например, пластинчатые теплообменники таким свойством не обладают, и способны работать исключительно в чистых средах.

Третьим весомым преимуществом кожухотрубных теплообменников является их высокая эффективность. По уровню эффективности его можно сравнить с пластинчатым теплообменником, который по большинству параметров является наиболее эффективным.

Таким образом, можно с уверенностью говорить о том, что кожухотрубные теплообменники являются одними из самых надежных, долговечных и высокоэффективных агрегатов:

• большая производительность
• компактность
• надежность
• универсальность в использовании.

Теплообменники – это устройства, которые служат для передачи тепла от теплоносителя (горячего вещества), к веществу холодному (нагреваемому). В качестве теплоносителей могут использоваться газ, пары или жидкость. На сегодняшний день наиболее широкое распространение из всех видов теплообменников получили кожухотрубные. Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника заключается в том, что горячий и холодный теплоносители движутся по двум различным каналам. Процесс теплообмена происходит между стенками этих каналов.

Теплообменный агрегат

Виды и типы кожухотрубных теплообменников

Теплообменник – достаточно сложное устройство, и существует множество его разновидностей. Кожухотрубные теплообменники относятся к виду рекуперативных. Деление теплообменников на виды производится в зависимости от направления движения теплоносителя. Они бывают:

• перекрестноточными;
• противоточными;
• прямоточными.

Кожухотрубные теплообменники получили такое название потому, что тонкие трубки, по которым движется теплоноситель, находятся в середине основного кожуха. От того, какое количество трубок находится в середине кожуха, зависит то, с какой скоростью будет двигаться вещество. От скорости движения вещества будет зависеть, в свою очередь, коэффициент теплопередачи.

Для изготовления кожухотрубных теплообменников используются легированные и высокопрочные стали. Такие виды сталей используется потому, что данные устройства, как правило, работают в крайне агрессивной среде, которая способна вызывать коррозию.
Теплообменники разделяются также на типы. Производят следующие типы данных устройств:

• c температурным кожуховым компенсатором;
• c неподвижными трубками;
• c U-образными трубками;
• c плавающей головкой.

Преимущества кожухотрубных теплообменников

Кожухотрубные агрегаты в последнее время пользуются высоким спросом, и большинство потребителей предпочитают именно данный тип агрегата. Такой выбор не случаен – кожухотрубные агрегаты имеют множество достоинств.

Теплообменник

Основным, и наиболее весомым достоинством является высокая стойкость данного типа агрегатов к гидроударам. Большинство производимых сегодня видов теплообменников таким качеством не обладают.

Вторым преимуществом является то, что кожухотрубные агрегаты не нуждаются в чистой среде. Большинство приборов в агрессивных средах работают нестабильно. Например, пластинчатые теплообменники таким свойством не обладают, и способны работать исключительно в чистых средах.
Третьим весомым преимуществом кожухотрубных теплообменников является их высокая эффективность. По уровню эффективности его можно сравнить с пластинчатым теплообменником, который по большинству параметров является наиболее эффективным.

Таким образом, можно с уверенностью говорить о том, что кожухотрубные теплообменники являются одними из самых надежных, долговечных и высокоэффективных агрегатов.

Недостатки кожухотрубных агрегатов

Несмотря на все плюсы, данные устройства имеют и некоторые недостатки, о которых также стоит упомянуть.

Первый, и наиболее значительный недостаток – большие размеры. В некоторых случаях от использования таких агрегатов приходится отказываться именно из-за крупных габаритов.

Второй недостаток – высокая металлоемкость, которая является причиной высокой цены кожухотрубных теплообменников.

Теплообменники, в том числе и кожухотрубные, устройства довольно «капризные». Рано или поздно им требуется ремонт, а он влечет за собой определенные последствия. Наиболее «слабая» часть теплообменника – трубки. Именно они чаще всего и являются источником проблемы. При проведении ремонтных работ обязательно следует учитывать, что в результате любого вмешательства может уменьшиться теплообмен.

Зная эту особенность агрегатов, большинство опытных потребителей предпочитает приобретать теплообменники с «запасом».

Смонтированная и готовая к работе пластинчатая теплообменная установка отличается небольшими габаритами и высоким уровнем производительности. Так, удельная рабочая поверхность такого аппарата может достигать 1,500 м 2 /м 3 .Конструкция таких аппаратов включает набор гофрированных пластин, которые отделяются друг от друга прокладками. Прокладки образуют герметичные каналы. Среда, отдающая тепло течет в пространстве между полостями, а внутри полостей находится среда, которая поглощает тепло или наоборот. Пластины монтируются на штанговой раме и расположены плотно относительно друг друга.

Каждая пластина оснащена следующий набор прокладок:

• прокладка по периметру, которая ограничивает канал для теплоносителя и два отверстия его входа и выхода;
• две малые прокладки, которые изолируют два других угловых отверстия для прохода второго теплового носителя.

Таким образом, конструкция имеет четыре раздельных канала для входа и выхода двух сред, участвующих в теплообменных процессах. Данный тип аппаратов способен распределять потоки по всем каналам параллельно или последовательно. Так, при необходимости, каждый поток может проходить по всем каналам или определенным группам.

К достоинствам данного типа аппаратов принято относить интенсивность теплообменного процесса, компактность, а также возможность полного разбора агрегата с целью очистки. К недостаткам причисляют необходимость скрупулезной сборки для сохранения герметичности (как результат большого количества каналов). Кроме того, минусами такой конструкции является склонность к коррозии материалов, из которых изготовлены прокладки и ограниченная тепловая стойкость.

В случаях, когда возможно загрязнение поверхности нагрева одним из теплоносителей, используют агрегаты, конструкция которых состоит из попарно сваренных пластин. Если загрязнение нагреваемой поверхности исключено со стороны обоих теплоносителей, применяются сварные неразборные теплообменные аппараты (как, например, аппарат с волнообразными каналами и перекрестным движением теплоносителей).

Принцип действия пластинчатого теплообменника

Пластинчатый теплообменник для дизельного топлива

Пластинчатый теплообменник для сырой нефти

Пластинчатый теплообменник

Пластинчатый теплообменник для пропана

Описание пластинчато-ребристых теплообменных аппаратов

Удельная рабочая поверхность данного аппарата может достигать 2,000 м 2 /м 3. К плюсам таких конструкций принято относить:

• возможность теплообмена между тремя и более теплоносителями;
• небольшой вес и объем.

Конструктивно пластинчато-ребристые теплообменники состоят из тонких пластин, между которыми находятся гофрированные листы. Данные листы припаяны к каждой пластине. Таким образом, теплоноситель разбивается на мелкие потоки. Аппарат может состоять из любого числа пластин. Теплоносители могут перемещаться:

• прямотоком;
• перекрестным потоком.

Существуют следующие типы ребер:

• гофрированные (рифленые), образующие волнистую линию вдоль потока;
• прерывистые ребра, т.е. смещенные относительно друг друга;
• чешуйчатые ребра, т.е. имеющие прорези, которые отогнуты в одну или разные стороны;
• шиповидные, т.е. изготовленные из проволоки, которые могут располагаться в шахматном или коридорном порядке.

Пластинчато-ребристые теплообменные аппараты применяют как регенеративные теплообменники.

Блочные графитовые теплообменные аппараты: описание и применение

Теплообменные аппараты , выполненные из графита, характеризуются следующими качествами:

• высокой стойкостью к коррозии;
• высоким уровнем проводимости тепла (может достигать до 100 Вт/(м·К)

Благодаря указанным качествам, теплообменники данного типа широко используются в химической промышленности. Наибольшее распространение получили блочные графитовые аппараты, основным элементом которых является графитовый блок в форме параллелепипеда. В блоке есть непересекающиеся отверстия (вертикальные и горизонтальные), которые предназначаются для движения теплоносителей. Конструкция блочного графитового теплообменника может включать в себя один и более блоков. По горизонтальным отверстиям в блоке осуществляется двухходовое движение теплоносителя, которое возможно благодаря боковым металлическим плитам. Теплоноситель, который перемещается по вертикальным отверстиям, совершает один или два хода, что определяется конструкцией крышек (верхней и нижней). В теплообменниках с увеличенными боковыми гранями, теплоноситель, двигающийся вертикально может делать два или четыре хода.

Графитовый теплообменник, пропитанный фенолоальдегидным полимером, кольцевого блочного типа, с поверхностью теплообмена 320 м 2

Графитовый теплообменник кольцевого блочного типа для H2SO4

Технические характеристики:

Графитовый теплообменник для суспензии гидрата двуокиси титана и раствора серной кислоты

Технические характеристики:

Теплопроводы для химической промышленности

Теплопровод является перспективным устройством, применяемым в химической отрасли с целью интенсификации процессов теплообмена. Теплопровод это полностью герметичная труба с любым профилем сечения, выполненная из металла. Корпус трубы футерован пористо-капиллярным материалом (фитилем), стекловолокном, полимерами, пористыми металлами и т.п. Количество подаваемого теплоносителя должно быть достаточным для пропитки фитиля. Предельная рабочая температура колеблется от любой низкой до 2000 °C. В качестве теплоносителя используют:

• металлы;
• высококипящие органические жидкости;
• расплавы солей;
• воду;
• аммиак и т.п.

Одна часть трубы расположена в зоне отвода тепла, остальная - в зоне конденсации паров. В первой зоне образуются пары теплоносителя, во второй зоне они конденсируются. Конденсат возвращается в первую зону благодаря действию капиллярных сил фитиля. Большое количество центров парообразования способствует падению перегрева жидкости во время ее кипения. При этом существенно возрастает коэффициент теплоотдачи при испарении (от 5 до 10 раз). Показатель мощности теплопровода определяется капиллярным давлением.

Регенераторы

Регенератор имеет корпус, круглый или прямоугольный в сечении. Данный корпус изготавливается из листового металла или кирпича, в соответствии с температурой, поддерживаемой в процессе работы. Внутрь агрегата помещается тяжелый наполнитель:

• кирпич;
• шамот;
• рифленый металл и т.п.

Регенераторы, как правило, являются парными аппаратами, поэтому через них одновременно протекает холодный и горячий газ. Горячий газ передает тепло насадке, а холодный получает его. Рабочий цикл состоит из двух периодов:

• разогрев насадки;
• охлаждение насадки.

Насадка из кирпича может выкладываться в различном порядке:

• коридорный порядок (образует ряд прямых параллельных каналов);
• шахматный порядок (образует каналы сложной формы).

Регенераторы могут оснащаться металлическими насадками. Перспективный аппаратом считается регенератор, оснащенный падающим плотным слоем зернистого материала.

Смесительные теплообменные аппараты. Конденсаторы смешения. Барботер. Охладители

Теплообмен веществ (жидкостей, газов, зернистых материалов), при их непосредственном соприкосновении или смешении отличается максимальной степенью интенсивностью. Применение такой технологии диктуется необходимостью технологического процесса. Для смешения жидкостей применяется:

• емкостной аппарат, оснащенный мешалкой;
• инжектор (используются также для непрерывного смешения газов).

Нагревание жидкостей может осуществляться посредством конденсации в них пара. Пар вводится сквозь множественные отверстия в трубе, которая изогнута в форме окружности или спирали и находится в нижней секции аппарата. Устройство, обеспечивающее протекания данного технологического процесса, называется барботером.

Охлаждение жидкости до температуры близкой к 0 °C, может осуществляться посредством ввода льда, который способен поглотить при таянии до 335 кДж/кг тепла либо сжиженных нейтральных газов, характеризующихся невысокой температурой испарения. Иногда применяют холодильные смеси, которые поглощают тепло после растворения в воде.

Жидкость может подогреваться посредством контакта с горячим газом и охлаждаться, соответственно, посредством контакта с холодным. Такой процесс обеспечивается скрубберами (вертикальными аппаратами), где навстречу восходящему потоку газа стекает поток охлаждаемой или нагреваемой жидкости. Скруббер можно наполнять различными насадками с целью увеличения поверхности контакта. Насадки разбивают поток жидкости на маленькие струйки.

К группе смесительных теплообменников также относятся конденсаторы смешения, функция которых состоит в конденсации паров посредством их прямого контакта с водой. Конденсаторы смешения могут быть двух типов:

• прямоточные конденсаторы (пар и жидкость движутся в одном направлении);
• противоточные конденсаторы (пар и жидкость движутся в противоположных направлениях).

Для увеличения площади контакта пара и жидкости, поток жидкости разбивается на мелкие струйки.

Воздушный охладитель с ребристыми трубами

Многие химические установки генерируют большое количество вторичного тепла, которое не регенерируется в теплообменниках и не может быть повторно использовано в процессах. Данное тепло выводится в окружающую среду и поэтому существует необходимость минимизировать возможные последствия. Для этих целей применяют различные типы охладителей.

Конструкция охладителей с ребристыми трубами состоит из ряда ребристых труб, внутри которых течет охлаждаемая жидкость. Наличие ребер, т.е. ребристость конструкции, значительно увеличивает поверхность охладителя. Ребра охладителя обдувают вентиляторы.

Данный тип охладителей используется в случаях, когда отсутствует возможность забора воды для целей охлаждения: например на месте монтажа химических установок.

Оросительные охладители

Конструкция оросительного охладителя представляет собой ряды последовательно смонтированных змеевиков, внутри которых движется охлаждаемая жидкость. Змеевики постоянно орошаются водой, за счет чего и происходит орошение.

Башенные охладители

Принцип действия башенного охладителя заключается в том, что подогретая вода разбрызгивается в верхней части конструкции, после чего стекает вниз по набивке. В нижней части конструкции за счет естественного подсоса, мимо стекающей воды струится поток воздуха, который поглощает часть тепла воды. Плюс, часть воды испаряется в процессе стекания, результатом чего также является потеря тепла.

К недостаткам конструкции относятся ее гигантские габариты. Так, высота башенного охладителя может достигать 100 м. Несомненным плюсом такого охладителя является функционирование без вспомогательной энергии.

Башенные охладители, оснащенные вентиляторами, работают по аналогии. С той разницей, что воздух нагнетается посредством данного вентилятора. Следует отметить, что конструкция с вентилятором значительно компактнее.

Теплообменник с поверхностью теплообмена 71,40 м²

Техническое описание:

Поз.1: Теплообменник

Работа теплообменника

Описание теплообменника

Габариты

Фланцевый погружной теплообменник 660 кВт

Технические характеристики:

380 В, 50 Гц, 2x660 кВт, 126 рабочих и 13 резервных ТЭНа, всего 139 ТЭНа, соединение в треугольник 21 канал по 31,44 кВт. Защита - NEMA тип 4,7

Рабочая среда: Газ регенерации (объемные проценты):
N2 - 85%, водяной пар-1,7%, CO2-12.3%, O2-0.9%, Sox-100 ppm, H2S-150ppm, NH3-200ppm. Присутствуют механические примеси - соли аммония, продукты коррозии.

Перечень документов, поставляемых с оборудованием:

Паспорт на фланцевую погружную нагревательную секцию с инструкцией по монтажу, пуску, останову, транспортированию разгрузке, хранению, сведение о консервации;
Чертеж общего вида секции;

Теплообменные аппараты из меди подходят для химически чистых и не агрессивных сред, например, таких как пресная вода. Этот материал обладает высоким коэффициентом теплопередачи. Недостатком таких теплообменников является довольно высокая стоимость.

Оптимальным решением для очищенных водных сред является латунь. По сравнению с теплообменным оборудованием из меди она дешевле и обладает более высокими характеристиками коррозионной стойкости и прочности. А также стоит отметить, что некоторые латунные сплавы устойчивы к морской воде и высоким температурам. Недостатком материала считается низкие показатели электро- и теплопроводности.

Наиболее распространенным материальным решением в теплообменных аппаратах является сталь. Добавление в состав различных легирующих элементов позволяет улучшить ее механические, физико-химические свойства и расширить диапазон применения. В зависимости от добавленных легирующих элементов сталь может применяться в щелочных, кислотных средах с различными примесями и при высоких рабочих температурах.

Титан и его сплавы качественный материал, с высокими прочностными и теплопроводными характеристиками. Данный материал очень легкий и находит применение в широком диапазоне рабочих температур. Титан и материалы на его основе проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве сред кислотного или щелочного характера.

Неметаллические материалы применяют в тех случаях, когда требуется проведение теплообменных процессов в особо агрессивных и коррозионно активных средах. Они характеризуется высоким значением коэффициентом теплопроводности и стойкости к наиболее химически активным веществам, что делает их незаменимым материалом применяемым во многих аппаратах. Неметаллические материалы разделяют на два вида органические и неорганические. К органическим относят материалы на основе углерода, такие как графит и пластические массы. В качестве неорганических материалов применяют силикаты и керамику.

• теплоноситель при протекании которого возможно выделение осадка преимущественно направляется с той стороны, с которой легче осуществить очистку теплопередающей поверхности;
• теплоноситель оказывающий корродирующее воздействие направляют по трубам, это обусловлено меньшим требованием расхода коррозионностойкого материала;
• для уменьшения потерь тепла в окружающую среду теплоноситель с высокой температурой направляют по трубам;
• с целью обеспечения безопасности при использовании теплоносителя с высоким давлением принято пропускать его в трубах;
• при протекании теплообмена между теплоносителями находящихся в разных агрегатных состояниях (жидкость-пар, газ), принято направлять жидкость в трубы, а пар в межтрубное пространство.

Подробнее о расчете и подборе теплообменного оборудования

Минимальная/максимальная расчетная температура металла для деталей под давлением: -39 / +30 ºС.

Для деталей не под давлением используется материал согласно EN 1993-1-10.
Классификация зоны: не опасная.
Категория коррозионности: ISO 12944-2: C3.

Тип присоединения труб к трубной доске: обварка.

Электрические двигатели

Исполнение: не взрывобезопасное
Класс защиты: IP 55

Частотные преобразователи

Предусмотрены для 50% электрических двигателей.

Вентиляторы

Лопасти изготовлены из усиленного материала алюминий/пластик с ручной регулировкой шага.

Уровень шума

Не превышает 85 ± 2 дБА на расстоянии 1 м и на высоте 1,5 м от поверхности.

Внешняя рециркуляция

Применяется.

Жалюзи

Верхние, входные и рециркуляционные жалюзи с пневматическим приводом.

Змеевик водяного подогревателя

Размещается на отдельной раме. Каждый подогреватель размещен под трубным пучком.

Вибрационные выключатели

Каждый вентилятор укомплектован вибрационным выключателем.

Стальные конструкции

Включают опоры, стержни, водоотводящие камеры. Комплектный пол для рециркуляции не входит в объем поставки.

Сетчатая защита

Сетчатая защита вентиляторов, вращающихся деталей.

Запасные части

Запасные части для сборки и запуска

• Крепеж для стальных конструкций: 5%
• Крепеж для крышек плит коллекторов: 2%
• Крепеж для штуцеров воздушника и дренажа: 1 комплект каждого типа

Запасные части на 2 года эксплуатации (опционально)

• Ремни: 10% (минимум 1 комплект каждого типа)
• Подшипники: 10% (минимум 1 шт. каждого типа)
• Прокладки для воздушника, дренажа: 2 шт. каждого типа
• Крепеж для воздушника и дренажа: 2 комплекта каждого типа

Специальный инструмент

• Один датчик уровня для установки шага лопастей вентилятора
• Один комплект для ремонта оребрения

Техническая документация на русском языке (2 экз. + CD диск)

Для согласования рабочей документации:

• Чертеж общего вида, включая нагрузки
• Электрическая схема
• Спецификация оборудования
• План тестовых проверок

С оборудованием:

• Основная документация о тестовых проверках согласно стандартов, кодов и других требований
• Инструкция по эксплуатации
• Комплексное описание агрегата

Тестовая и инспекционная документация:

• План тестовых проверок на каждую позицию
• Внутрицеховая инспекция
• Гидростатический тест
• Сертификаты на материалы
• Паспорт сосуда давления
• Инспекция TUV

Отгрузочная информация:

• Трубный пучок полностью собран и протестирован
• Змеевик теплофикационной воды полностью собран
• Жалюзи полностью собраны
• Водоотводящие камеры отдельными частями
• Рециркуляционные жалюзи с плитами отдельными частями
• Вентиляторы в сборе
• Стальные конструкции отдельными частями
• Электрические двигатели, осевые вентиляторы, вибрационные выключатели и запасные части в деревянных ящиках
• Сборка на площадке с помощью крепежа (без сварки)

Объем поставки

Следующее оборудование и проектная документация включены в объем поставки:

• Температурные и механические расчеты
• Трубные пучки с заглушками для воздушника и дренажа
• Вентиляторы в сборе
• Электрические двигатели
• Частотные преобразователи (50/% всех вентиляторов)
• Вибрационные выключатели (100% всех вентиляторов)
• Водоотводящие камеры
• Опорные конструкции
• Платформы обслуживания для опор и лестниц
• Система внешней рециркуляции
• Термодатчики на стороне воздуха
• Жалюзи на рециркуляции/входе/выходе с пневмоприводом
• Петли для подъема
• Заземление
• Поверхностная обработка
• Запасные части для сборки и запуска
• Запасные части на 2 года эксплуатации
• Специальный инструмент
• Ответные фланцы, крепеж и прокладки

Следующее оборудование не включено в объем поставки:

• Услуги монтажа
• Предварительная сборка
• Анкерные болты
• Теплоизоляция и огнезащита
• Опоры для кабелей
• Защита от града и камней
• Платформа для доступа к электрическим двигателям
• Электрические подогреватели
• Шкаф управления для частотных преобразователей*
• Материалы для электрического монтажа*
• Соединения для датчиков давления и температуры*
• Входные и выходные коллекторы, соединительные трубопроводы и фитинги*