Описание кожухотрубчатого теплообменника. Кожухотрубчатые и емкостные теплообменные аппараты различного назначения

Кожухотрубные теплообменники относятся к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа. Широкое распространение этих аппаратов обусловлено прежде всего надежностью конструкции и большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации:

Однофазные потоки, кипение и конденсация;

Вертикальное и горизонтальное исполнение;

Широкий диапазон давлений теплоносителей, от вакуума до 8,0 МПа;

Площади поверхности теплообмена от малых (1 м 2) до предельно больших (1000 м 2 и более);

Возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости аппаратов, агрессивностью, температурными режимами и давлением теплоносителей;

Использование различных профилей поверхности теплообмена как внутри труб, так и снаружи и различных турбулизаторов;

Возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта.

Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов:

Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками (жесткотрубные ТА);

Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с линзовым компенсатором на кожухе;

Теплообменные аппараты с плавающей головкой;

Теплообменные аппараты с U– образными трубами.

Кожухотрубные теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками отличаются простотой конструкции и, следовательно, меньшей стоимостью (рис. 1).

Рис. 1.Кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками:

1 -распределительная камера; 2 -кожух; 3 -теплообменная труба; 4 -поперечная перегородка; 5 -трубная решетка; 6 - задняя крышка кожуха; 7 -опора; 8- дистанционная трубка; 9-штуцеры; 10-перегородка в распределительной камере; 11 - отбойник

Кожухотрубный теплообменный аппарат представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются с помощью вальцовки, сварки или пайки в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. К кожуху теплообменного аппарата привариваются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. На входе теплоносителя в межтрубное пространство в ряде случаев устанавливают отбойники, необходимые для уменьшения вибрации пучка труб, равномерного распределения потока теплоносителя в межтрубном пространстве и снижения эррозии ближайших к входному штуцеру труб. К кожуху теплообменного аппарата с помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцерами для входа и выхода продукта из трубного пространства.

В зависимости от расположения теплообменных труб различают теплообменные аппараты горизонтального и вертикального типа.

В зависимости от числа перегородок в распределительной камере и задней крышке кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на одноходовые, двухходовые и многоходовые в трубном пространстве.

В зависимости от числа продольных перегородок, установленных в межтрубном пространстве, кожухотрубные теплообменники делятся на одно – и многоходовые в межтрубном пространстве.

Теплообменники cнеподвижными трубными решетками применяются, если максимальная разность температур теплоносителей не превышает 80 0 С,и при сравнительно небольшой длине аппарата. Эти ограничения объясняются возникающими в кожухе и в теплообменных трубах температурными напряжениями, способными нарушить герметичность конструкции аппарата.

Для частичной компенсации температурных напряжений в кожухе и в теплообменных трубах используются специальные гибкие элементы (расширители, компенсаторы), установленные на кожухе аппарата. Такие теплообменники называются теплообменными аппаратами с температурным компенсатором на кожухе (рис. 2).

Рис. 2.Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе:

1-распределительная камера; 2 - трубные решетки; 3 - компенсатор; 4 - кожух; 5 - опора; 6 - теплообменная труба; 7 -поперечная перегородка; 8 - задняя крышка кожуха; 9 - дистанционная трубка; 10 - штуцеры

В аппаратах подобного типа используют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с плавающей головкой (с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом кожухотрубных теплообменников (рис. 3). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса, что значительно снижает температурные напряжения как в кожухе, так и в теплообменных трубах.

Рис. 3.Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой:

1 -крышка распределительной камеры; 2 -распределительная камера; 3 -неподвижная трубная решетка; 4 -кожух; 5 -теплообменная труба; 6 - поперечная перегородка; 7 - подвижная трубная решетка; 8 -задняя крышка кожуха; 9 -крышка плавающей головки; 10 - опора; 11 -катковая опора трубного пучка

Теплообменные аппараты данного типа выполняюся с двумя или с четырьмя ходами по трубному пространству.

Аппараты с плавающей головкой чаще всего выполняются одноходовыми по межтрубному пространству. В аппаратах с двумя ходами по межтрубному пространству устанавливается продольная перегородка.

Кожухотрубчатые теплообменники с U-образнымитрубами (рис. 4)имеют одну трубную решетку, в которую завальцованы оба концаU-образныхтеплообменных труб. Отсутствие других жестких связей теплообменныхU-образныхтруб с кожухом обеспечивает свободное удлинение труб при изменении их температуры. Кроме того, преимущество теплообменников с U-образнымитрубами заключается вотсутствии разъемного соединения внутри кожуха (в отличии от ТА с плавающей головкой), что позволяет успешно применять их при повышенных давлениях теплоносителей, движущихся в трубном пространстве. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней и наружной поверхности труб, вследствие чего они используются преимущественно для чистых продуктов.

Рис. 4. Кожухотрубчатый теплообменник с U-образнымитеплообменными трубами:

1 -распределительная камера; 2 -трубная решетка; 3 -кожух; 4 -теплообменная труба; 5 -поперечная перегородка; 6 -крышка кожуха; 7 -опора; 8 -катковая опора трубного пучка

Эффективность кожухотрубчатых теплообменных аппаратов повышается с увеличением скорости движения потоков теплоносителей и степени их турбулизации. Для увеличения скорости движения потоков в межтрубном пространстве и их турбулизации, повышения качества омывания поверхности теплообмена в межтрубное пространство кожухотрубчатых теплообменных аппаратов устанавливаются специальные поперечные перегородки. Они также выполняют роль опор трубчатого пучка, фиксируя трубы в заданном положении, и уменьшают вибрацию труб.

На рис. 5 показаны поперечные перегородки различных типов. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки (рис. 5а).

Рис. 5. Поперечные перегородки кожухотрубных аппаратов:

а - с сегментным вырезом; б - с секторным вырезом; в - перегородки «диск-кольцо»; г - с щелевым вырезом; д - «сплошные»

Поперечные перегородки с секторным вырезом (рис. 5б) оснащены дополнительной продольной перегородкой, равной по высоте половине внутреннего диаметра кожуха аппарата. Секторный вырез, по площади равный четверти сечения аппарата, располагают в соседних перегородках в шахматном порядке. При этом теплоноситель в межтрубном пространстве совершает вращательное движение то по часовой стрелке, то против нее.

Аппараты со «сплошными» перегородками (рис. 5д) используются обычно для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору между теплообменными трубами и отверстиями в перегородках.

Для повышения тепловой мощности теплообменных аппаратов при неизменных длинах труб и габаритах теплообменника используется оребрение наружной поверхности теплообменных труб. Оребренные теплообменные трубы применяются в тех случаях, когда со стороны одного из теплоносителей трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (газообразный теплоноситель, вязкая жидкость, ламинарное течение и т.д.). На рис. 6приведены варианты наружного оребрения теплообменных труб.

Рис. 6.Оребренные трубы:

а -с приварными «корытообразными» ребрами; б-с завальцованными ребрами; в -с винтовыми накатанными ребрами; г-с выдавленными ребрами; д -с приварными шиловидными ребрами

Для интенсификации теплоотдачи в трубном пространстве используются методы воздействия на поток устройствами, которые турбулизируют теплоноситель в теплообменных трубах. Для этой цели применяются различного рода турбулизирующие вставки, варианты исполнения которых представлены на рис. 7.

Рис. 7. Теплообменные трубы с турбулизаторами:

а -шнековые завихрители; б -ленточные завихрители; в -диафрагмовые трубы с вертикальными канавками; г -диафрагмовые трубы с наклонными канавками; д -проволочные турбулизаторы; е -турбулизирующие вставки

В кожухотрубных теплообменных аппаратах теплоноситель, поступая в межтрубное пространство, в силу конструктивных особенностей делится на несколько потоков (рис. 8):

А – основной поперечный поток;

B– перетоки в щелях между отверстиями в поперечных перегородках и теплообменными трубами;

C– перетоки между кромками перегородок и кожухом;

D– байпасный поток через зазор между пучком труб и кожухом.

Разделение потока теплоносителя, поступающего в межтрубное пространство, на несколько потоков значительно усложняет гидродинамическую картину движения теплоносителя по сравнению с поперечным омыванием пучков труб и оказывает существенное влияние как на конвективный теплообмен, так и на падение давления теплоносителя. Распределение потоков в межтрубном пространстве зависит от конструктивных характеристик теплообменного аппарата, оптимизация которых является главной задачей при создании новых теплообменников.

Рис. 8. Схема потоков теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника:

A- основной поперечный поток; В - перетоки в щелях между отверстиями в перегородках и трубами;C- перетоки между кромкой перегородки и кожухом;D- байпасный поток через зазор между пучком труб и кожухом

Учет распределения потоков теплоносителя в межтрубном пространстве необходим, так как в противном случае возможны значительные ошибки при определении среднего коэффициента теплоотдачи  и падения давления теплоносителя p , которые могут составить от 50 до 150 %.

В зависимости от совершенства конструкции теплообменного аппарата меняется и распределение потоков в межтрубном пространстве. При турбулентном режиме течения основной поток (A) не превышает 40 % от всего потока теплоносителя, а при ламинарном – 25 %.

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к наиболее распространенным. Их применяют в промышленности и на транспорте в качестве нагревателей, конденсаторов, охладителей, для различных жидких и газообразных сред. Основными элементами кожухотрубчатого теплообменника являются: кожух (корпус), трубный пучок, камеры-крышки, патрубки, запорная и регулирующая арматура, контрольная аппаратура, опоры, каркас. Кожух аппарата сваривают в виде цилиндра из одного или нескольких, обычно стальных листов. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды в межтрубном пространстве и диаметром аппарата. Днища камер могут быть сферическими сварными, эллиптическими штампованными и реже - плоскими. Толщина днищ не должна быть меньше толщины корпуса. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. В зависимости от расположения аппарата относительно пола помещения (вертикальное, горизонтальное) к корпусу должны быть приварены соответствующие опоры. Предпочтительнее вертикальное расположение корпуса и всего теплообменника, так как в этом случае уменьшается площадь, занимаемая аппаратом, и более удобно расположение его в рабочем помещении.

Трубный пучок теплообменника может быть собран из гладких стальных бесшовных, латунных или медных прямых или U- и W-образных труб диаметром от нескольких миллиметров до 57 мм и длиной от нескольких сантиметров до 6-9 м с диаметром корпуса до 1,4 м и более. Внедряются, особенно в холодильной технике и на транспорте, образцы кожухотрубчатых и секционных теплообменников с низкими накатными продольными, радиальными и спиральными ребрами. Высота продольного ребра не превышает 12-25 мм, а высота выступа катаных труб 1,5-3,0 мм при 600-800 ребрах на 1 м длины. Внешний диаметр труб с низкорадиальными (накатными) ребрами мало отличается от диаметра гладких труб, хотя поверхность теплообмена при этом возрастает в 1,5-2,5 раза. Форма такой поверхности теплообмена обеспечивает высокую тепловую эффективность аппарата при рабочих средах с различными теплофизическими свойствами.

В зависимости от конструкции пучка как гладкие, так и накатные трубы закрепляют в одной или двухтрубных решетках развальцовкой, разбортовкой, сваркой, спайкой или сальниковыми соединениями. Из всех перечисленных способов реже применяют более сложные и дорогостоящие сальниковые уплотнения, допускающие при тепловых удлинениях продольное перемещение труб.

Размещение труб в трубных решетках (рис. 2.2) может быть осуществлено несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (шахматное), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное), по концентрическим окружностям и по сторонам и вершинам шестиугольников со смещенной на угол β диагональю. Преимущественно трубы размещаются равномерно на всей площади решетки по сторонам и вершинам правильных шестиугольников. В аппаратах, предназначенных для работы на загрязненных жидкостях, часто принимают прямоугольное размещение труб для облегчения очистки межтрубного пространства.

Рис. 2.2 - Способы закрепления и размещения труб в трубных решетках: а - развальцовкой; б - развальцовкой с отбортовкой; в - развальцовкой в очках с канавками; г и д - приваркой; е - с помощью сальника; 1 - по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (треугольников); 2 - по концентрическим окружностям; 3 - по сторонам и вершинам квадратов; 4 - по сторонам и вершинам шестиугольников со смещенной на угол β диагональю

В горизонтальных кожухотрубчатых теплообменниках-конденсаторах с целью уменьшения термического сопротивления на внешней поверхности труб, вызываемого пленкой конденсата, трубы рекомендуется размещать по сторонам и вершинам шестиугольника со смещенной на угол β диагональю, оставляя при этом в межтрубном пространстве свободные проходы для пара.

Некоторые варианты компоновки трубных пучков в корпусе приведены на (рис. 2.3). Если обе решетки пучка из прямых труб зажимаются между верхними и нижними фланцами корпуса и крышек, то такой аппарат будет жесткой конструкции (рис. 2.3, а, б). Теплообменники жесткой конструкции применяются при сравнительно небольшой разности температур между корпусом и трубами (примерно 25-30° С) и при условии изготовления корпуса и труб из материалов с близкими значениями их коэффициентов удлинения. При проектировании аппарата необходимо рассчитывать напряжения, возникающие вследствие тепловых удлинений труб в трубной решетке, особенно в местах соединения труб с решеткой. По этим напряжениям в каждом конкретном случае определяют пригодность или непригодность аппарата жесткой конструкции. Возможные варианты кожухотрубчатых теплообменников нежесткой конструкции показаны также на (рис. 2.3, в, г, д, е).

Рис. 2.3 - Схемы кожухотрубчатых теплообменников: а - с жестким креплением трубных решеток с сегментными перегородками; б - с жестким креплением трубных решеток с кольцевыми перегородками; в - с линзовым компенсатором на корпусе; г - с U-образными трубами; д - с двойными трубами (труба в трубе); е - с «плавающей» камерой закрытого типа; 1 - цилиндрический корпус; 2 - трубы; 3 - трубная решетка; 4 - верхняя и нижняя камеры; 5, 6, 9 - сегментная, кольцевая и продольная перегородки в межтрубном пространстве; 7 - линзовый компенсатор; 8 - перегородка в камере; 10 - внутренняя труба; 11 - наружная труба; 12 - «плавающая» камера

В кожухотрубчатом теплообменнике с линзовым компенсатором на корпусе (рис. 2.3, в) тепловые удлинения компенсируются осевым сжатием или растяжением этого компенсатора. Такие аппараты рекомендуется применять при избыточном давлении в межтрубном пространстве не выше 2,5·10 5 Па и при деформации компенсатора не более чем на 10-15 мм,

В теплообменниках с U-образными (рис. 2.3, г), а также с W-образными трубами оба конца труб закрепляют в одной (чаще в верхней) трубной решетке. Каждая из труб пучка может свободно удлиняться независимо от удлинения других труб и элементов аппарата. При этом в местах соединений труб с трубной решеткой и в соединении трубной решетки с корпусом не возникает никаких напряжений. Эти теплообменники пригодны для работы при высоких давлениях теплоносителей. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут быть признаны лучшими из-за трудности изготовления труб с разным радиусом изгиба, сложности замены и неудобства очистки гнутых труб.

Кроме того, в условиях эксплуатации при равномерном распределении теплоносителя на входе в трубы будет неодинаковая температура этого теплоносителя на выходе из них вследствие разных площадей поверхностей теплообмена этих труб.

В кожухотрубчатых теплообменниках с двойными трубами (рис. 2.3, д) каждый элемент состоит из двух труб: наружной - с закрытым нижним концом и внутренней - с открытым концом. Верхний конец внутренней трубы меньшего диаметра закрепляют развальцовкой или сваркой в верхней трубной решетке, а трубу большего диаметра - в нижней трубной решетке. При таких условиях монтажа каждый из элементов, состоящий из двух труб, может свободно удлиняться без возникновения тепловых напряжений. Нагреваемая среда движется по внутренней трубе, затем по кольцевому каналу между наружной и внутренней трубами. Тепловой поток от греющей к нагреваемой среде передается сквозь стенку внешней трубы. Кроме того, в процессе переноса теплоты участвует и поверхность внутренней трубы, потому что температура нагреваемой среды в кольцевом канале выше температуры той же среды во внутренней трубе.

В кожухотрубчатом теплообменнике с «плавающей» камерой закрытого типа (рис. 2.3, е) трубный пучок собирается из прямых труб, соединенных двумя трубными решетками. Верхнюю решетку зажимают между верхним фланцем корпуса и фланцем верхней камеры. Нижняя трубная решетка не соединяется с корпусом, она вместе с нижней камерой внутритрубного пространства свободно может перемещаться вдоль оси теплообменника. Эти теплообменники более совершенны, чем другие аппараты нежесткой конструкции. Некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса в зоне «плавающей» камеры и из-за необходимости изготовления дополнительной крышки оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Аппараты могут быть вертикального и горизонтального исполнения.

Другие типы теплообменников с компенсацией тепловых удлинений, как, например, с сильфонным компенсатором на верхнем патрубке, отводящим (подводящим) теплоноситель из внутритрубного пространства, с сальниковым уплотнением верхнего патрубка или трубной решетки и т. п. ввиду сложности изготовления, малой надежности в эксплуатации и низких допускаемых давлений теплоносителей в перспективе будут применяться только в исключительных случаях.

Трубное и межтрубное пространства теплообменников разобщены и образуют два контура для циркуляции двух теплоносителей. Но в случае необходимости во внутритрубный контур можно подавать не одну, а две и даже три нагреваемые среды, разделив при этом эти потоки перегородками, размещенными в крышках аппаратов.

Практически при конструировании таких аппаратов можно обосновать и обеспечить оптимальную скорость только одного теплоносителя, проходящего по внутритрубному контуру, изменяя при этом расположение труб в трубной решетке и число ходов по трубам. Многоходовые аппараты создают путем установки соответствующих перегородок в верхней и нижней камерах теплообменника.

Скорость потока в межтрубном пространстве определяется условиями размещения труб в трубной решетке. Обычно живое сечение для прохода теплоносителя в межтрубном пространстве в 2-3 раза больше живого сечения труб, поэтому при равных объемных расходах обеих сред скорость потока в межтрубном пространстве в 2-3 раза меньше, чем в трубах. В случае необходимости в межтрубном пространстве могут быть установлены сегментные или кольцевые перегородки, уменьшающие живое сечение и придающие жесткость трубному пучку. Естественно, при этом в межтрубном пространстве будет возрастать скорость потока, организуется продольно-поперечное омывание пучка труб, улучшатся условия теплообмена.

В водо-водяных или вообще жидкостно-жидкостных теплообменниках рабочую среду с меньшим расходом в единицу времени (или с большей вязкостью) целесообразно направлять во внутритрубный контур, хотя в некоторых случаях могут быть и отступления от этого принципа, например в аппаратах для охлаждения масла (рис. 2.3, б).

В парожидкостных теплообменниках , особенно при повышенных параметрах пара, наблюдается большая разность между температурами стенок труб и корпуса. Поэтому для таких случаев нагрева жидкости чаще всего используются аппараты нежесткой конструкции, за исключением конденсаторов пара, работающих под вакуумом. Пар обычно проходит в межтрубном пространстве сверху вниз, а жидкость - внутри труб. Конденсат удаляется из нижней части корпуса через конденсатоотводчик. Обязательным условием, обеспечивающим нормальную работу парожидкостного теплообменника, является отвод неконденсирующихся газов из верхней части межтрубного пространства и из нижнего объема над поверхностью конденсата. В противном случае будут ухудшаться условия теплообмена на внешней поверхности труб, резко уменьшится тепловая производительность аппарата.

В комплексных промышленных теплоэнергетических установках применяют конденсаторы, которые выполняют вспомогательную роль в данном процессе. Выбор типа и конструкции конденсатора зависит от давления, при котором протекает процесс фазового перехода, и от необходимости сохранения конденсата. В этой связи следует рассматривать поверхностные и смесительные конденсаторы.

Поверхностные кожухотрубчатые конденсаторы жесткой конструкции горизонтального типа компактны, удобны для размещения в сочетании с другим оборудованием, но в то же время они дороже смесительных. Расположение труб в решетке поверхностных конденсаторов осуществляется по варианту, показанному на рис. 2.2 (4) или рис. 2.2 (1). По ходу воды в трубах конденсаторы выполняются двух- и четырехходовыми. Пар конденсируется в межтрубном пространстве, в котором предусматривают свободные проходы для пара к нижним рядам труб. Такой способ конденсации пара обеспечивает чистоту конденсата, который может служить питательной средой для парогенераторов. В этих конденсаторах можно поддерживать давление от 5000 до 3000 Па.

Большое количество разнообразных кожухотрубчатых теплообменных аппаратов изготавливается серийно специализированными заводами, поэтому во многих случаях представляется возможным выбрать теплообменник, соответствующий расчетным характеристикам, по каталогу.

Сейчас мы с вами рассмотрим технические характеристики и принцип работы кожухотрубных теплообенников, а так же расчёт их параметров и особенности выбора при покупке.

Теплообменники обеспечивают процесс обмена теплом между жидкостями, каждая из которых имеет разную температуру. В настоящее время кожухотрубный теплообменник с большим успехом нашел свое применение в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, газовой. При их изготовлении не возникает сложностей, они надежны и имеют возможность развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате.

Получили такое название благодаря наличию кожуха, скрывающего внутренние трубы.

Устройство и принцип действия

Строение: конструкция из пучков труб, закрепленных в трубных досках (решетках) крышек, кожухов и опор.

Принцип, по которому осуществляет свою деятельность кожухотрубчатый теплообменник довольно прост. Он заключается в движении холодного и горячего теплоносителей по разным каналам. Теплообмен происходит именно между стенками этих каналов.

Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника

Преимущества и недостатки

Сегодня кожухотрубные теплообменники пользуются спросом у потребителей и не теряют своих позиций на рынке. Это обусловлено немалым количеством достоинств, которыми обладают эти устройства:

1. Высокая стойкость к . Это помогает им легко переносить перепады давления и выдерживать серьезные нагрузки.
2. Не нуждаются в чистой среде. Это значит, что они могут работать с некачественной жидкостью, не прошедшей предварительной очистки, в отличие от множества других видов теплообменников, которые способны работать исключительно в не загрязненных средах.
3. Высокая эффективность.
4. Износостойкость.
5. Долговечность. При должном уходе кожухотрубчатые агрегаты будут работать на протяжении многих лет.
6. Безопасность использования.
7. Ремонтопригодность.
8. Работа в агрессивной среде.

Учитывая вышеизложенные преимущества, можно утверждать об их надежности, высокой эффективности и долговечности.

Кожухотрубные теплообменники в промышленности

Несмотря на большое количество отмеченных преимуществ кожухотрубных теплообменников, данные устройства имеют и ряд недостатков:

• габаритность и значительный вес: для их размещения необходимо помещение значительных размеров, что не всегда является возможным;
• высокая металлоемкость : это является основной причиной их высокой цены.

Виды и типы кожухотрубных теплообменников

Классифицируются кожухотрубные теплообменники в зависимости от того, в каком направлении двигается теплоноситель .

Выделяют следующие виды по этому критерию:

• прямоточный;
• противоточный;
• перекресточный.

Количество трубок, находящихся в сердце кожуха, напрямую влияет на то, с какой скоростью будет двигаться вещество, а скорость оказывает непосредственное влияние на коэффициент теплопередачи .

Учитывая данные характеристики, кожухотрубные теплообменники бывают следующих типов:

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

Модель с U-образными трубками состоит из одной трубной решетки, в которую и вварены данные элементы. Это позволяет округленной части трубки беспрепятственно опираться на поворотные щитки в корпусе, при этом они имеют возможность линейно расширяться, что позволяет их использовать в больших диапазонах температур. Для чистки U-трубок требуется вынимать всю секцию с ними и использовать специальные химические средства.

Расчет параметров

Долгое время кожухотрубные теплообменники считались самыми компактными среди существующих. Однако появились , которые в три раза компактнее кожухотрубных. К тому же, особенности конструкции подобного теплообменника приводят к возникновению температурных напряжений из-за различия температур между трубами и кожухом. Поэтому при выборе подобного агрегата очень важно сделать его грамотный расчет.

Формула расчёта площади кожухотрубчатого теплообменника

F — площадь поверхности теплообмена;
t ср – средняя разность температур между теплоносителями ;
К – коэффициент теплопередачи;
Q — количество теплоты.

Для проведения теплового расчета кожухотрубного теплообменника необходимы следующие показатели:

• максимальный расход греющей воды;
• физические характеристики теплоносителя : вязкость, плотность, теплопроводность, конечная температура, теплоемкость воды при средней температуре.

При осуществлении заказа кожухотрубчатого теплообменника важно знать, какими техническими характеристиками он обладает:

• давление в трубах и кожухе;
• диаметр кожуха;
• исполнение (горизонтальное\вертикальное);
• тип трубных решеток (подвижные\неподвижные);
• климатическое исполнение.

Самостоятельно сделать грамотный расчет достаточно сложно. Для этого необходимы знания и глубокое понимание всей сути процесса его работы, поэтому лучшим способом станет обращение к специалистам.

Эксплуатация трубчатого теплообменника

Кожухотрубный теплообменник является устройством, которое характеризуется высокой продолжительностью срока службы и хорошими параметрами эксплуатации. Однако, как и любому другому устройству, для качественной и долговременной работы ему необходимо плановое обслуживание. Поскольку в большинстве случаев кожухотрубные теплообменники работают с жидкостью, которая не прошла предварительную очистку, трубки агрегата рано или поздно засоряются и на них образуется осадок и создается препятствие для свободного протекания рабочей жидкости.

Чтобы эффективность работы оборудования не снижалась и не произошла поломка кожухотрубного агрегата, следует систематически проводить его чистку и промывку.

Благодаря этому он сможет осуществлять качественную работу на протяжении длительного времени. По истечению срока действия прибора, рекомендуется осуществить замену его на новый.

Если возникла потребность в ремонте трубчатого теплообменника, то первоначально необходимо произвести диагностику устройства. Это позволит выявить основные проблемы и определит объем предстоящей работы. Самая слабая его часть — это трубки, и, чаще всего, основным поводом ремонта является повреждение трубчатки.

Для диагностики кожухотрубного теплообменника используется метод гидравлических испытаний.

В сложившейся ситуации необходимо произвести замену трубок, а это трудоемкий процесс. Необходимо заглушить вышедшие из строя элементы, в свою очередь это сокращает площадь теплообменной поверхности. Осуществляя ремонтные работы, обязательно нужно учитывать тот факт, что любое, даже малейшее вмешательство, может стать причиной уменьшения теплообмена.

Теперь вы знаете, как устроен кожухотрубный теплообменник, какие есть у него разновидности и особенности.

Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века в связи с потребностями тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таких, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при относительно высоком давлении. Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В настоящее время их конструкция в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной. В те же годы началось широкое промышленное применение в нефтяной промышленности. Для эксплуатации в тяжелых условиях потребовались нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Теплообменникам часто приходилось работать с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, и поэтому их необходимо было конструировать так, чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки.

С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено прежде всего надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:

• однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонам теплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением
• диапазон давления от вакуума до высоких значений
• в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов
• удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата
• размеры от малых до предельно больших (5000 м 2)
• возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению
• использование развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и снаружи, различных интенсификаторов и т.д.
• возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта

Однако такое широкое разнообразие условий применения кожухотрубных теплообменников и их конструкций никоим образом не должно исключать поиск других, альтернативных решений, таких, как применение пластинчатых, спиральных или компактных теплообменников в тех случаях, когда их характеристики оказываются приемлемыми и их применение может привести к экономически более выгодным решениям.

Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Классическая схема показана на рисунке:

Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Так, конденсатор паровой турбины мощностью 150 Мвт состоят из 17 тысяч труб с общей поверхностью теплообмена около 9000 м 2 .

Схемы кожухотрубчатых аппаратов наиболее распространенных типов представлены на рисунке:

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина стенки кожуха определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но принимается не менее 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата.

Трубчатка кожухотрубчатых теплообменников выполняется из прямых или изогнутых (U-образных или W-образных) труб диаметром от 12 до 57 мм. Предпочтительны стальные бесшовные трубы.

В проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает общий коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению эффективности теплообмена.

Трубные доски (решетки) служат для закрепления в них пучка труб при помощи развальцовки, разбортовки, заварки, запайки или сальниковых креплений. Трубные доски приваривают к кожуху (рис. а, в), зажимают болтами между фланцами кожуха и крышки (рис. б, г) или соединяют болтами только с фланцем свободной камеры (рис. д, е). материалом досок служит обычно листовая сталь толщиной не менее 20 мм.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть жесткой (рис. а, к), нежесткой (рис. г, д, е, з, и) и полужесткой (рис. б, в, ж) конструкции, одноходовые и многоходовые, прямоточные, противоточные и поперечноточные, горизонтальные, наклонные и вертикальные.

На рисунке а) изображен одноходовой теплообменник с прямыми трубками жесткой конструкции. Кожух и трубки связаны трубными решетками и поэтому нет возможности компенсации тепловых удлинений. Такие аппараты просты по устройству, но могут применяться только при сравнительно небольших разностях температур между корпусом и пучком труб (до 50 о С). Они имеют низкие коэффициенты теплопередачи вследствие незначительной скорости теплоносителя в межтрубном пространстве.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения трубок. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению коэффициента теплопередачи. На рисунке 1,б изображен теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве и полужесткой мембранной компенсацией тепловых удлинений вследствие некоторой свободы перемещения верхней трубной доски.

В парожидкостных теплообменниках пар проходит обычно в межтрубном пространстве, а жидкость – по трубам. Разность температур стенки корпуса и труб обычно значительна. Для компенсации разности тепловых удлинений между кожухом и трубами устанавливают линзовые (рис. в), сальниковые (рис. з, и) или сильфонные (рис. ж) компенсаторы.

Для устранения напряжений в металле, обусловленных тепловыми удлинениями, изготавливают также однокамерные теплообменники с гнутыми U- и W-образными трубами. Они целесообразны при высоких давлениях теплоносителей, так как изготовление водяных камер и крепление труб в трубных досках в аппаратах высокого давления – операции сложные и дорогие. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут получить широкого распространения из-за трудности изготовления труб с разными радиусами гиба, сложности замены труб и неудобства чистки гнутых труб.

Компенсационные устройства сложны в изготовлении (мембранные, сильфонные, с гнутыми трубами) или недостаточно надежны в эксплуатации (линзовые, сальниковые). Более совершенна конструкция теплообменника с жестким креплением одной трубной доски и свободным перемещением второй доски вместе с внутренней крышкой трубной системы (рис. е). некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса и изготовления дополнительного днища оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Эти аппараты получили название теплообменников «с плавающей головкой». Теплообменники с поперечным током (рис. к) отличаются повышенным коэффициентом теплоотдачи на наружной поверхности вследствие того, что теплоноситель движется поперек пучка труб. При перекрестном токе снижается разность температур между теплоносителями, однако при достаточном числе трубных секций различие в сравнении с противотоком невелико. В некоторых конструкциях таких теплообменников при протекании газа в межтрубном пространстве и жидкости в трубах для повышения коэффициента теплоотдачи применяют трубы с поперечными ребрами.

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