Кожухотрубный теплообменник - это устройство обмена тепла между двумя разными потоками. Происходит нагрев одной среды благодаря охлаждающему агенту другой. Две различные среды могут менять своё агрегатное состояние, но в процессе передачи энергии перемешивания не происходит. Обмен теплом осуществляется через стенки устройства. Трубы часто выполняются ребристыми, чтобы увеличить площадь теплопередающей поверхности.

Виды теплообменников

Теплообменники бывают различных видов. Их диаметр может составлять от 159 до 3000 мм. Максимальное давление - 160 кг/см 2 . Длина может колебаться от нескольких десятков до 10 000 мм. Виды агрегатов:

1. Со встроенными решётками, выполненными в виде трубы.
2. Устройство кожухотрубного теплообменника может предусматривать наличие температурного компенсатора.
3. Прибор, оснащённый плавающей головкой.
4. С U-образной формой устройства.
5. Комбинированный. В нём есть компенсатор и встроенная плавающая головка.

В этом видео вы узнаете, как классифицируются теплообменники:

Конструкция кожухотрубного теплообменника, в котором есть трубные решётки, имеет жёсткую сцепку всех элементов. Такие аппараты чаще всего используются в нефтяной или химической промышленности. Этот тип устройства занимает примерно три четверти всего рынка. У данного вида трубные решётки привариваются изнутри к стенкам корпуса, а к ним на жёсткой сцепке приделаны теплообменные трубы. Это позволяет избежать каких-либо сдвигов всех составных элементов внутри корпуса.

Кожухотрубчатый теплообменный аппарат компенсирует удлинение от тепла продольным сжатием или же с помощью специальных гибких вставок в расширителях. Это полужесткая конструкция.

Устройство с плавающей головкой считается намного совершеннее. Плавающая головка - это специальная подвижная решётка. Она перемещается по всей трубной системе вместе с крышкой. Такой аппарат дороже, но и намного надёжнее.

Существуют теплообменники с одним ходом и многоходовые

У аппарата с U-образной трубной системой два конца привариваются к одной решётке. Угол поворота составляет 180°, а радиус - от 4 диаметров трубы. Благодаря такой конструкции трубы внутри корпуса могут свободно удлиняться.

Существуют одноходовые и многоходовые теплообменники. Выбор зависит от направления перемещения теплоносителя внутри аппарата. В одноходовом наполнитель движется по кратчайшему пути. Самый яркий пример такого типа устройств - это водонагреватель ВВП , который используется в системах отопления. Такой аппарат лучше всего применять в местах, где не нужен высокий показатель теплообмена (разница между температурой окружающей среды и носителем тепла минимальная).

В многоходовых аппаратах присутствуют специальные поперечные перегородки. Они обеспечивают перенаправление потока теплоносителя. Используются там, где необходима большая скорость теплообмена. Также трубчатые аппараты делятся на одноточные, перекрестноточные и противоточные.

Чтобы теплообменник можно было эксплуатировать в экстремальных условиях, вместо обычных стальных труб используют стеклянные или графитовые. Корпус герметизируют с помощью сальников.

Принцип работы

Устройство имеет довольно простой принцип действия. Кожухотрубный теплообменник разделяет носители. Внутри конструкции перемешивания продуктов не происходит. Передача тепла осуществляется по стенкам трубчатых элементов , которые разделяют теплоносители. Один носитель находится внутри труб, а другой подаётся под давлением в межтрубное пространство. Агрегатные состояния обоих энергоносителей могут отличаться. Это может быть газ, пар или жидкость.

Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника заключается в штатных процессах передачи энергии между жидкостями и различными газами. Для повышения коэффициента переноса тепловой энергии применяются довольно большие скорости перемещения продуктов внутри конструкции. Для пара или газа генерируют от 8 до 25 м/с. Для жидких теплоносителей минимальная скорость составляет 1,5 м в секунду.

Тепло проходит через стенки данного агрегата

Конструкция кожухотрубчатого аппарата

Основное достоинство кожухотрубного обменника тепла и главная причина его популярности заключается в высокой надёжности конструкции. В неё входят распределительные камеры, которые оснащаются трубками. Также предусматривается цилиндрический кожух, пучок труб и определённое количество решёток. Вся конструкция дополняется крышками, которые находятся с торцов. В комплект входят опоры, которые позволяют размещать устройство в горизонтальной плоскости. Также существует крепление для монтажа аппарата в любой точке пространства.

Для увеличения обмена тепла между теплоносителем используются трубы, которые покрыты специальными рёбрами. Если задача состоит в снижение теплоотдачи, то корпус покрывается каким-либо теплоизолирующим слоем. Так можно значительно увеличить аккумулирующие свойства изделия. Используются специальные конструкции, в которых одна труба находится во второй.

Для изготовления кожуха применяется толстолистовая сталь (от 4 мм). Чтобы произвести решётки, чаще всего берётся такой же материал, но его толщина гораздо больше (от 2 см). Основной элемент - пучок из труб, изготовленных из материала, который имеет высокую теплопроводность. Этот пучок закрепляется с одной или двух сторон на трубных решётках.

Преимущества и недостатки

У этих устройств есть несколько преимуществ, что обеспечивает достаточную конкурентоспособность на рынке теплообменных систем. Основные преимущества оборудования:

1. Конструкция обеспечена отличной стойкостью к гидравлическим ударам. У аналогичных систем этой характеристики нет.
2. Кожухотрубные теплообменники способны работать в экстремальных условиях или с продуктами, которые довольно сильно загрязнены.
3. Их очень просто эксплуатировать. Легко проводить механическую чистку оборудования, его плановое техническое обслуживание. Аппаратура имеет высокую ремонтопригодность.

У данного теплообменника имеются как плюсы, так и минусы

Несмотря на все преимущества, у этого устройства присутствуют и недостатки. Их следует учитывать перед приобретением. В зависимости от целей использования, возможно, могут потребоваться другие аналогичные системы. Недостатки аппарата:

1. КПД ниже, чем у пластинчатых изделий. Это связано с тем, что у кожухотрубных обменников площадь поверхности, передающей тепло, меньше.
2. Имеет большие размеры. Это повышает его конечную стоимость, а также затраты на эксплуатацию.
3. Коэффициент теплоотдачи сильно зависит от того, насколько быстро перемещается агент.

Несмотря на все свои недостатки, кожухотрубные устройства заняли свою нишу на рынке теплообменников. Они остаются популярными, и их используют во многих отраслях промышленности.

Область применения

Кожухотрубные изделия используются в составной части инженерных сетей ЖКХ. Также их применяют в теплопунктах для обеспечения горячей водой жилых домов. У индивидуальных тепловых пунктов есть определённые преимущества перед центральным тепловым и водообеспечением: они гораздо эффективнее обеспечивают теплом здания и другие объекты, чем централизованная теплосеть .

Также тепловые обменники этого типа используются в нефтедобывающей, химической и газовой промышленностях. Их применяют в сфере теплоэнергетики, где теплоносители имеют высокие показатели передачи температуры. И это ещё далеко не все отрасли, где применяется подобное оборудование. Его можно встретить в испарителях ребойлера или же в конденсаторах-охладителях воздушного теплообмена, ректификационных колоннах. Оно нашло применение в пивном производстве и пищевой отрасли.

Эксплуатация устройства

Трубчатый обменник тепловой энергии обладает высоким показателем срока эксплуатации. Чтобы он выполнял свою роль качественно и служил долго, необходимо своевременно проводить плановое техническое обслуживание. Чаще всего заполняют агрегат жидкостью, которая не прошла этапы фильтрации. Это приводит к постепенному закупориванию трубок, что не даёт жидкости-теплоносителю свободно перемещаться по системе. Нужно вовремя и систематически проводить механическую очистку всех элементов кожухотрубного изделия. Также необходимо промывать составные части под высоким давлением.

Если возникла необходимость ремонта трубчатого аппарата, первым делом нужно провести диагностические мероприятия. Это позволяет обнаружить главные проблемы. Самой уязвимой частью являются трубки, которые чаще всего повреждаются. Диагностика проводится с помощью гидравлических испытаний.

Всё оборудование обмена тепловой энергии довольно капризное. К этому числу относятся и кожухотрубные устройства. При любых вмешательствах в конструкцию для проведения ремонта нужно учитывать, что это может повлиять на коэффициент теплопроводности и, соответственно, обмена тепла между носителями. Многие предприятия, а также физические лица покупают сразу несколько установок, чтобы можно было быстро подключиться к другому устройству.

Необходимо не забывать, что могут появляться определённые трудности во время регулирования оборудования «по конденсату». Абсолютно любые изменения влекут за собой увеличение или уменьшение теплообмена. Также нужно учитывать, что изменение площади происходит нелинейно.

Среди всех разновидностей теплообменников этот вид наиболее распространен. Его применяют при работе с любыми жидкостями, газовыми средами и парообразными, в том числе, если состояние среды меняется в процессе перегона.

История появления и внедрения

Изобрели кожухотрубные (или ) теплообменники в начале прошлого века, дабы активно использовать при работе ТЭС, где большое количество нагретой воды перегонялось при повышенном давлении. В дальнейшем изобретение стали использовать при создании испарителей и нагревающих конструкций. С годами устройство кожухотрубного теплообменника совершенствовалось, конструкция стала менее громоздкой, ее теперь разрабатывают так, чтобы было доступно чистить отдельные элементы. Чаще стали применять подобные системы в нефтеперегонной промышленности и производстве бытовой химии, поскольку продукты этих отраслей несут в себе массу примесей. Их осадок как раз и требует периодической чистки внутренних стенок теплообменника.

Как мы видим на представленной схеме, кожухотрубный теплообменник состоит из пучка трубок, которые расположены в своей камере и закреплены на доске либо решетке. Кожух – собственно, название всей камеры, сваренной из листа не менее 4 мм (или больше, в зависимости от свойств рабочей среды), в которой находятся мелкие трубки и доска. В качестве материала для доски используют обыкновенно листовую сталь. Между собой трубки соединяются патрубками, имеются также вход и выход в камеру, отвод для конденсата, перегородки.

В зависимости от количества труб и их диаметра, колеблется мощность теплообменника. Так, если передающая тепло поверхность составляет около 9 000 кв. м., мощность теплообменника составит 150 МВт, это пример работы паровой турбины.

Устройство кожухотрубного теплообменника подразумевает соединение сварных труб с доской и крышками, которое может быть разным, равно как и изгиб кожуха (в виде буквы U или W). Ниже представлены типы устройств, наиболее часто встречающиеся на практике.

Еще одной особенностью устройства является расстояние между трубами, которое в 2-3 раза должно превышать их сечение. Благодаря чему коэффициент отдачи тепла является небольшим, и это способствует эффективности всего теплообменника.

Исходя из названия, теплообменник – это устройство, создаваемое с целью передать вырабатываемое тепло на нагреваемый предмет. Теплоносителем в данном случае выступает конструкция, описанная выше. Работа кожухотрубного теплообменника заключается в том, что холодная и горячая рабочие среды двигаются по разным кожухам, и теплообмен происходит в пространстве между ними.

Рабочей средой внутри труб является жидкость, в то время как горячий пар проходит в расстоянии между труб, образуя конденсат. Поскольку стенки труб нагреваются больше, чем доска, к которой они прикреплены, эту разность необходимо компенсировать, иначе бы устройство имело значительные потери тепла. Для этого применяются так называемые компенсаторы трех типов: линзы, сальники или сильфоны.

Также, при работе с жидкостью под высоким давлением используют однокамерные теплообменники. Они имеют изгиб U, W-образного типа, необходимое чтобы избежать высоких напряжений в стали, вызываемых тепловым удлинением. Их производство достаточно дорогое, трубы в случае ремонта сложно заменить. Поэтому такие теплообменники пользуются меньшим спросом на рынке.

В зависимости от способа крепления труб к доске или решетке, выделяют:

• Приваренные трубы;
• Закрепленные в развальцованных нишах;
• Соединенные болтами с фланцем;
• Запаянные;
• Имеющие сальники в конструкции крепежа.

По типу конструкции кожухотрубные теплообменники бывают (см. рисунок-схему выше):

• Жесткие (буквы на рис. а, к), нежесткие (г, д, е, з, и) и наполовину жесткие (буквы на рис. б, в и ж);
• По количеству ходов – одно- или многоходовые;
• По направлению тока технической жидкости – прямого, поперечного или против направленного тока;
• По расположению доски горизонтальные, вертикальные и расположенные в наклонной плоскости.

Широкие возможности кожухотрубного теплообменника

1. Давление в трубках может достигать разных значений, от вакуума до наивысших;
2. Можно достичь необходимого условия по термическим напряжениям, при этом цена устройства существенно не поменяется;
3. Размеры системы тоже могут быть различными: от бытового теплообменника в ванную комнату до промышленного площадью 5000 кв. м.;
4. Нет необходимости предварительно очищать рабочую среду;
5. Для создания сердцевины используют разные материалы, в зависимости от затрат на производство. Однако все они соответствуют требованиям температуры, давления и устойчивости к коррозии;
6. Отдельный участок труб можно извлечь для чистки или ремонта.

Есть ли у конструкции недостатки? Не без них: кожухотрубчатый теплообменник весьма громоздкий. Из-за своих габаритов он нередко требует отдельного технического помещения. Ввиду большой металлоемкости стоимость изготовления такого устройства тоже велика.

В сравнении с теплообменниками U, W-трубчатыми и с неподвижными трубками кожухотрубные имеют больше преимуществ и являются эффективнее. Поэтому их чаще покупают, несмотря на высокую стоимость. С другой стороны, самостоятельное изготовление подобной системы вызовет большие трудности, а скорее всего, приведет к значительным потерям тепла в процессе работы.

Особое внимание при эксплуатации теплообменника следует уделять состоянию труб, а также настройке в зависимости от конденсата. Любое вмешательство в систему приводит к изменению площади теплообмена, поэтому ремонт и пуско-наладку должны производить обученные специалисты.

Вас может заинтересовать:

В виду непредсказуемых скачков национальной валюты, цена на нефть стала объектом пристального внимания не только экспертов-экономистов и биржевых маклеров, но и обычного гражданина. Рубль привязан к нефти, нефть - к доллару. Влияние котировок черного золота на экономику России очевидно: растут цены, страдает социальный сектор и т.д. В сложившейся ситуации Правительство РФ вынуждено маневрировать, принимая определенные изменения...

Промышленный насос необходим практически на любом производстве. В отличие от бытовых насосов они должны выдерживать высокие нагрузки, быть износостойкими и иметь максимальную производительность. Кроме того, насосы подобного типа должны быть экономически выгодными для предприятия, на котором они используются. Для того чтобы купить подходящий промышленный наcос, необходимо изучить его основные характеристики и учитывать...

Воздухосборник (ресивер) представляет собой сосуд со сжатым газом, предназначенный для нормализации давления в трубопроводах, гашения пневматических ударов, создаваемых компрессорным оборудованием, обеспечения требуемого режима работы, сбора и удаления конденсата. Эксплуатация и обслуживание воздухосборников выполняются в соответствии с нормативами, предусмотренными для аппаратов, работающих под давлением. Общие...

Уровень газовых запасов в ПХГ Европы достиг минимальных значений. Новый «рекорд» наиболее низкого текущего уровня запаса газа в хранилищах Европы за последнее десятилетие. До этого самым низким считался показатель 2011 года. Впервые зафиксирована отметка 49,5 % от максимума. Темпы отбора газа из ПХГ всё время растут, что не может вызывать тревоги. Погодные условия в текущем месяце и начале марта обещают быть более жёсткими, чем в...

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

1) поверхностные теплообменники, в которых пе­ренос тепла между обменивающимися теплом средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена - глухую стенку;

2) теплообменники смешения, в которых тепло пере­дается от одной среды к другой при их непосредственном соприкоснове­нии.

Значительно реже применяются в химической промышленности регенеративные теплообменники, в которых нагрев жид­ких сред происходит за счет их соприкосновения с ранее нагретыми твер­дыми телами - насадкой, заполняющей аппарат, периодически нагре­ваемой другим теплоносителем.

Поверхностные теплообменники наиболее распространены, и их конст­рукции весьма разнообразны. Ниже рассмотрены типовые, в основном нормализованные, конструкции поверхностных теплообменников и рас­пространенные конденсаторы смешения.

В химической технологии применяются теплообменники, изготовлен­ные из самых различных металлов (углеродистых и легированных сталей, меди, титана, тантала и др.), а также из неметаллических материалов, например графита, тефлона и др. Выбор материала диктуется в основном его коррозионной стойкостью и теплопроводностью, причем конструкция теплообменного аппарата существенно зависит от свойств выбранного материала.

Конструкции теплообменников должны отличаться простотой, удоб­ством монтажа и ремонта. В ряде случаев конструкция теплообменника должна обеспечивать возможно меньшее загрязнение поверхности тепло­обмена и быть легко доступной для осмотра и очистки.

Трубчатые теплообменники

Кожухотрубчатые теплообменники. Эти теплообменники относятся к числу наиболее часто применяемых поверхностных теплообменников. На рис. VШ-11 а показан кожухотрубчатый теплообменник жесткой конструкции, который состоит из корпуса, или кожуха 1, и приваренных к нему трубных решеток 2. В трубных решетках закреплен пучок труб 3. К трубным решеткам крепятся (на прокладках и болтах) крышки 4.

В кожухотрубчатом теплообменнике одна из обменивающихся теплом сред I движется внутри труб (в трубном пространстве), а другая II - в межтрубном пространстве.

Среды обычно направляют противотоком друг к другу. При этом нагреваемую среду направляют снизу вверх, а среду, отдающую тепло, - в противоположном направлении. Такое направление движения каждой среды совпадает с направлением, в котором стремится двигаться данная среда под влиянием изменения ее плотности при нагревании или ох­лаждении.

Кроме того, при указанных на­правлениях движения сред достигается более равномерное распределе­ние скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечно­го сечения аппарата. В противном случае, например при подаче более холодной (нагреваемой) среды свер­ху теплообменника, более нагретая часть жидкости, как более легкая, может скапливаться в верхней ча­сти аппарата, образуя «застойные» зоны.

Трубы в решетках обычно равномер­но размешают по периметрам правильных шестиугольников, т. е. по вершинам рав­носторонних треугольников (рис VIII-12,а), реже применяют размещение труб по кон­центрическим окружностям (рисVIII-12,б).

В отдельных случаях, когда необходимо обеспечить удобную очистку наружной по­верхности труб, их размещают по периметрам прямоугольников (рис. VIII-12, в). Все указанные способы размещения труб преследуют одну цель - обеспечить воз­можно более компактное размещение необходимой поверхности теплообмена внутри аппарата. В большинстве случаев наибольшая компактность достигается при разме­щении трубок по периметрам правильных шестиугольников.

Рис. VIII -12. Способы размещения труб в теплообменниках:

а - по периметрам правильных шестиугольников; б - по концентрическим окружностям;

в - по периметрам прямоугольников (коридорное распо­ложение)

Трубы закрепляют в решетках чаще всего развальцовкой (рис. VIII -13, а, б), причем особенно прочное соединение (необходимое в случае работы аппарата при повышенных давлениях) достигается при устройстве в трубных решетках отверстий с кольцевыми канавками, которые заполняются металлом трубы в процессе ее раз­вальцовки (рис. VIII -13, б). Кроме того, используют закрепление труб сваркой (рис. VIII -13, в), если материал трубы не поддается вытяжке и допустимо жесткое соединение труб с трубной решеткой, а также пайкой (рис. VIII -13, г), применяемой для соединения главным образом медных и латунных труб. Изредка используют соеди­нение труб с решеткой посредством сальников (рис. VIII -13, д), допускающих свобод­ное продольное перемещение труб и возможность их быстрой замены. Такое соедине­ние позволяет значительно уменьшить температурную деформацию труб (см. ниже), но является сложным, дорогим и недостаточно надежным.

Теплообменник, изображенный на рис. VIII-11, а, является одноходовым. При сравнительно небольших расходах жидкости скорость ее движения в трубах таких теплообменников низка и, следовательно, коэф­фициенты теплоотдачи невелики. Для увеличения последних при данной поверхности теплообмена можно уменьшить диаметр труб, соответственно увеличив их высоту (длину). Однако теплообменники небольшого диаметра и значительной высоты неудобны для монтажа, требуют высоких помещений и повышенного расхода металла на изготовление деталей, не участвующих непосредственно в теплообмене (кожух аппарата). Поэтому более рационально увеличивать скорость теплообмена путем применения многоходо­вых теплообменников.

В многоходовом теплообменнике (рис. VIII-11, б ) корпус 1, трубные решетки 2, укрепленные в них трубы 3 и крышки 4 идентичны изображенным на рис. VIII-11, а. С помощью поперечных перегородок 5, установленных в крышках теплооб­менника, трубы разделены на сек­ции, или ходы, по которым последо­вательно движется жидкость, про­текающая в трубном пространстве теплообменника. Обычно разбивку на ходы производят таким образом, чтобы во всех секциях находилось примерно одинаковое число труб.

Вследствие меньшей площади сум­марного поперечного сечения труб, размещенных в одной секции, по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб, скорость жид­кости в трубном пространстве много­ходового теплообменника возраста­ет (по отношению к скорости в одноходовом теплообменнике) в чис­ло раз, равное числу ходов. Так, в четырехходовом теплообменнике (рис. VIII-11, б) скорость в трубах при прочих равных условиях в че­тыре раза больше, чем в однохо­довом. Для увеличения скорости и удлинения пути движения среды в межтрубном пространстве (рис. VIII-11, б) служат сегментные перегородки 6. В горизонтальных теплообменниках эти перегородки являются одновременно промежуточ­ными опорами для пучка труб.

Повышение интенсивности теплообмена в многоходовых теплообменни­ках сопровождается возрастанием гидравлического сопротивления и усложнением конструкции теплообменника. Это диктует выбор экономи­чески целесообразной скорости, определяемой числом ходов теплообмен­ника, которое обычно не превышает 5-6. Многоходовые теплообменники работают по принципу смешанного тока, что, как известно, приводит к некоторому снижению движущей силы теплопередачи по срав­нению с чисто противоточным движением участвующих в теплообмене сред. В одноходовых и особенно в многоходовых теплообменниках теплообмен может ухудшаться вследствие выделения растворенных в жидкости (или паре) воздуха и других неконденсирующихся газов. Для их периодиче­ского удаления в верхней части кожуха теплообменников устанавливают продувочные краники.

Одноходовые и многоходовые теплообменники могут быть вертикаль­ными или горизонтальными. Вертикальные теплообменники более просты в эксплуатации и занимают меньшую производственную площадь. Гори­зонтальные теплообменники изготавливаются обычно многоходовыми и работают при больших скоростях участвующих в теплообмене сред для того, чтобы свести к минимуму расслоение жидкостей вследствие разности их температур и плотностей, а также устранить образование застойных зон.

Если средняя разность температур труб и кожуха в теплообменниках жесткой конструкции, т. е. с неподвижными, приваренными к корпусу трубными решетками, становятся значительными (приблизительно равной или большей 50 °С), то трубы и кожух удлиняются неодинаково. Это вызывает значительные напряжения в трубных

Рис. VIII-14. Кожухотрубчатые теплообменники с компенсирующими

устройствами:

а - с линзовым компенсатором; б - с плавающей головкой; в - с U-образными трубами;

1 - компенсатор; 2 - подвижная трубная решетка; 3 - U-образные трубы.

решетках, может нарушить плотность соединения труб с решетками, привести к разрушению свар­ных швов, недопустимому смешению обменивающихся теплом сред. По­этому при разностях температур труб и кожуха, больших 50°С, или при значительной длине труб применяют кожухотрубчатые теплообменники нежесткой конструкции, допускающей некоторое перемещение труб от­носительно кожуха аппарата.

Для уменьшения температурных деформаций, обусловленных большой разностью температур труб и кожуха, значительной длиной труб, а так­же различием материала труб и кожуха, используют кожухотрубчатые теплообменники с ллл з овы м- компенсатором (рис. VIII-14, а), у которых на корпусе имеется линзовый компенсатор 1, подвергающийся упругой деформации. Такая конструкция отличается простотой, но при­менима при небольших избыточных давлениях в межтрубном пространстве, обычно не превышающих 6·10 6 Н/м 2 (6 ат).

При необходимости обеспечения больших перемещений труб и кожуха используют теплообменник с плавающей головкой (рис. VIII-14, б). Нижняя трубная решетка 2 является подвижной, что позволяет всему пучку труб свободно перемещаться независимо от кор­пуса аппарата. Этим предотвращаются опасная температурная деформа­ция труб и нарушение плотности их соединения с трубными решетками. Однако компенсация температурных удлинений достигается в данном случае за счет усложнения и утяжеления конструкции теплообменника.

В кожухотрубчатом теплообменнике с U-образными трубами (рис. VIII-14, в) сами трубы 3 выполняют функцию компенсирующих устройств. При этом упрощается и облегчается конструкция аппарата, имеющего лишь одну неподвижную трубную решетку. Наружная поверх­ность труб может быть легко очищена при выемке всей трубчатки из кор­пуса аппарата. Кроме того, в теплообменниках такой конструкции, яв­ляющихся двух- или многоходовыми, достигается довольно интенсивный теплообмен. Недостатки теплообменников с U-образными трубами: труд­ность очистки внутренней поверхности труб, сложность размещения большого числа труб в трубной решетке.

Стальные кожухотрубчатые теплообменники стандартизованы по ГОСТ 9929-67.

В химической промышленности применяются также теплообменники с двойными трубами (рис.VIII-15). С одной стороны аппарата размещены две трубные решетки, причем в решетке 1 закреплен пу­чок труб 2 меньшего диаметра, от­крытых с обоих концов, а в решет­ке 3 - трубы 4 большего диаметра с закрытыми левыми концами, уста­новленные концентрически относи­тельно труб 2. Среда I движется по кольцевым пространствам между тру­бами 2 и 4 и выводится из межтруб­ного, пространства теплообменника по трубам 2. Другая среда II дви­жется сверху вниз по межтрубно­му пространству корпуса тепло­обменника, омывая трубы 4 снаружи. В теплообменниках такой кон­струкции трубы могут удлиняться под действием температуры независи­мо от корпуса теплообменника.

Элементные теплообменники. Для повышения скорости движения среды в межтрубном пространстве без применения перегородок, затруд­няющих очистку аппарата, используют элементные теплооб­менники. Каждый элемент такого теплообменника представляет со­бой простейший кожухотрубчатый теплообменник. Нагреваемая и охлаж­даемая среды последовательно проходят через отдельные элементы, со­стоящие из пучка труб в кожухе небольшого диаметра. Теплообменник, состоящий из таких элементов (ходов), допускает значительные избыточ­ные давления в межтрубном пространстве; его можно рассматривать как модификацию многоходового кожухотрубчатого теплообменника.

В элементных теплообменниках взаимное движение сред приближается к эффективной схеме чистого противотока. Однако вследствие разделения общей поверхности теплообмена на отдельные элементы конструкция ста­новится более громоздкой и стоимость теплообменника возрастает.

Двухтрубчатые теплообменники. Теплообменники этой конструкции, называемые также теплообменниками типа «труба в трубе», состоят из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образо­ванных двумя концентрически расположенными трубами (рис. VIII-16). Один теплоноситель движется по внутренним трубам 1 , а другой - по кольцевому зазору между внутренними 1 и наружными 2 трубами. Вну­тренние трубы (обычно диаметром 57-108 мм) соединяются калачами 3, а наружные трубы, имеющие диаметр 76-159 мм, -патрубками 4.

Рис. VIII-16. Двухтрубчатый теплообменник: 1 - внутренние трубы;

2 - наружные трубы; 3 - калач; 4 - патрубок.

Благодаря небольшим поперечным сечениям трубного и межтрубного пространства в двухтрубчатых теплообменниках даже при небольших расходах достигаются довольно высокие скорости жидкости, равные обычно 1-1,5 м/сек. Это позволяет получать более высокие коэффициенты тепло­передачи и достигать более высоких тепловых нагрузок на единицу массы аппарата, чем в кожухотрубчатых теплообменниках. Кроме того, с уве­личением скоростей теплоносителей уменьшается возможность отложения загрязнений на поверхности теплообмена.

Вместе с тем эти теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, и требуют большего расхода металла на единицу поверхности тепло­обмена, которая в аппаратах такого типа образуется только внутренними трубами.

Двухтрубчатые теплообменники могут эффективно работать при не­больших расходах теплоносителей, а также при высоких давлениях.

Если требуется большая поверхность теплообмена, то эти аппараты выполняют из нескольких параллельных секций.

Пластинчатый теплообменник это аппарат, в котором один теплоноситель передает или забирает тепло у другого через поверхность называемую теплообменной. Она образуется набором тонких штампованных пластин с гофрированной особым способом поверхностью.

Принцип работы пластинчатого теплообменника.

Пластинчатый теплообменник принцип работы — схема

Собранные в единый пакет, образуют каналы, по которым двигаются теплоносители, во время обмена тепловой энергией друг с другом. Каналы распределения теплоносителя устроены особым способом, при котором входящий и выходящий теплоноситель постоянно чередуются между собой.

Комбинируя пластины внутри теплообменника, производители добиваются оптимального варианта теплоотдачи для каждого типа прибора. Главное условие при этом поток теплоносителя в теплообменнике должен быть турбулентным (возмущенным). Только так можно добиться высокого КПД и самоочищения пластин. напомним, что поток теплоносителя в теплообменных аппаратах типа труба в трубе – ламинарный, спокойный, отсюда и низкий коэффициент теплопередачи и большие размеры классических кожухотрубных теплообменников.

Пластинчатый теплообменник схема компоновки.

Сегодня основные производители пластинчатых теплообменников предлагают следующий принцип компоновки:

Одноходовая компоновка теплообменника это когда теплоноситель сразу делится на параллельные потоки, проходит по всем каналам пластин и, сливаясь в один канал, поступает в порт для вывода теплоносителя.

Многоходовая компоновка теплообменника. В данном случае используется более сложная схема, теплоноситель циркулирует по одинаковому количеству каналов, совершая разворот в пластине. Это достигается установкой разделительных пластин, в которые входят глухие перегородки. Обслуживать, чистить разбирать и собирать такой намного сложнее.

Пластины пластинчатого теплообменника располагаются одна за другой с поворотом на 180 градусов. Такая теплообменника создает пакет с четырьмя коллекторами для отвода и подвода жидкостей. Первая и последняя пластины соответственно не участвуют в процессе обмена теплом, задняя пластина глухая, без портов.

Резиновые прокладки крепятся между пластинами с помощью клипсового соединения. Это просто и надежно, при этом прокладки являются самоцентрирующимися, что позволяет вести сборку в автоматическом режиме. То есть при монтаже после чистки все станет на свои места без особого усилия. Прокладки имеют окантовку в виде манжеты, которая создает дополнительный барьер, и предотвращает утечку теплоносителя.

Схема устройства рамы теплообменника тоже простейшая: неподвижная передняя и подвижная задняя плита, штатив, нижняя и верхняя направляющие, стяжные болты.

Схема сборки пластинчатого теплообменника не сложная, верхняя и нижняя направляющие закрепляются на штативе и неподвижной плите. На направляющие будущего теплообменника надевается пакет пластин, а затем подвижная плита. Подвижную и неподвижную плиту стягивают между собою болтами.

Пластинчатый теплообменник – материалы, используемые для изготовления.

Для прокладок используется материал этиленпропилен , сокращенно «ЕРDМ». Он выдерживает температуры от минус 30С до плюс 160С и не разрушается под действием не только воды, но и пара жиров и масел.

Остается только упомянуть о материале, используемом для производства пластин пластинчатого теплообменника. Чаще всего это нержавеющая сталь AISI 316, после штамповки в обязательном порядке производится электрохимическое полирование пластины.

Толщина пластины зависит от максимального рабочего давления. На давление до 1 МПа используются пластины толщиной 0,4 мм, на давление до 1,6 МПа — пластины толщиной 0,5 мм, на давление 2,5 МПа — пластины толщиной 0,6 мм. Естественно от толщины пластин, схемы компоновки и давления зависит стоимость теплообменника. Если вам принципиально важна низкая цена теплообменника, и Вы знаете, что у вас не агрессивная среда можно заказать из стали AISI 304, она дешевле.

Простота изготовления, ремонтопригодность, хорошие эксплуатационные характеристики и надежность конструкции делают рекуперативный или кожухотрубный аппарат одним из самых распространенных видов теплотехнического оборудования. В качестве рабочей среды могут применяться: газ, вода, пар, воздух, нефть и т. д. Чем выше их популярность, тем чаще специалисты сталкиваются с необходимостью делать расчет для их выбора. К счастью, прогресс не стоит на месте. Была разработана программа для выбора рекуператоров. Расскажем о ней подробнее.

Рис. 1 Схема кожухотрубного
теплообменника

К чему сводится расчет кожухотрубного теплообменника? К определению поверхности теплообмена и конечных температур теплоносителя. На чем он основывается? На составлении теплового баланса рекуператора по заданной схеме (см. рис.1) и определении коэффициента теплопередачи.

Исходные данные:

• начальные температуры обеих сред (греющей и нагреваемой), их давление и массовый расход.
• физические характеристики теплоносителей (вязкость, плотность, теплопроводность и т. д.).
• конечная температура одной из температурных сред.

Расчет поверхности.

Программа определяет тепловую мощность рекуператора из уравнения теплового баланса.

Уравнение теплового баланса

• Q = Ср* Ϭt.
• G - массовый расход среды, кг/с.
• Ϭt - изменение температуры среды, °С.

Полученную мощность подставляем в уравнение коэффициента теплопередачи и находим из него поверхность нагрева (теплообмена), м2.

• F = Q / k ∆t.
• Q - тепловая мощность, уже определенная из уравнения теплового баланса, Вт.
• к - коэффициент теплопередачи через разделяющую стенку, Вт/м2К, определяется довольно сложным расчетом.
• ∆t – средний температурный напор, который определяет схема движения греющей и обогреваемой сред (противоток, прямоток), °С.

Определив из последнего уравнения поверхность нагрева теплообменника, из базы типовых рекуператоров подбирается вариант с похожими характеристиками.

Рис. 2

Описанный выше расчет был предварительным. После него начинается самый сложный и длинный этап - проверочный расчет кожухотрубного теплообменника. Рассчитываются проходные сечения по греющей и обогреваемой среде, делается расчет теплообменника на прочность, меняется схема движения сред и все пересчитывается заново. В конечном итоге программа определяет коэффициент запаса по поверхности нагрева.

Этот запас необходим, на случай если внезапно поменяется нагрузка на теплообменник (плохая работа питательных насосов, шламообразование в трубах, часть трубного пучка пришлось заглушить для ремонта). В заключение программа вычислит массу рекуператора. Это удобно - сразу есть работа для строителей (выдается задание на фундаменты).

Программа методом многочисленных итераций находит оптимальные варианты и выдает в виде списка. Даже если ни один вариант схемы типового конденсатора вам не подойдет, у вас на руках останется расчет, в котором есть все данные для разработки рабочего проекта.

Раньше эта работа делалась вручную, можно так сделать и сейчас, но долго выбирать оптимальную схему никто не будет - выберут первую, которая пройдет по температурам. Так зачем мучиться несколько дней, если программа предоставит вам расчет кожухотрубчатого теплообменника буквально за минуты?

Кожухотрубчатый теплообменник. Конструкция и принцип работы

Рассмотрим кожухотрубчатый теплообменник, чертеж которого мы видим на рисунке 2. Опишем его конструкцию, соблюдая последовательность его сборки.

Рис. 3

• Между трубными решетками ввариваются трубы с предварительно надетыми на них дистанционными решетками. Последние не только дистанционируют трубы пучка, они еще и делают теплообменный аппарат многоходовым, увеличивая тепловую эффективность его схемы. Эта конструкция образует трубную систему рекуператора.
• К кожуху привариваются два штуцера - подвода и отвода среды. К торцам кожуха варятся фланцы.
• В днища рекуператора вваривают штуцера повода и отвода среды. Приваривают фланцы, ответные фланцам кожуха.
• Трубная система вставляется в кожух. Трубные решетки зажимаются между фланцами днища и кожуха, уплотняются прокладками, соединяются болтами или шпильками (см. рис. 3). Это дает возможность легко осуществить ремонт кожухотрубных теплообменников: разболтить фланцевое соединение и вынуть трубный пучок.

Греющая среда может циркулировать в межтрубном пространстве, а может идти по трубной системе. Равновероятны оба варианта схемы. Все зависит от физических характеристик среды и удобства монтажа подводящих трубопроводов. Схема кожухотрубного теплообменника закладывается в расчет программы.

Компенсация температурных удлинений

Кожухотрубчатый теплообменник, принцип работы которого всегда построен на передаче тепла от греющей среды к обогреваемой через разделительную стенку, имеет один момент, который сильно влияет на его конструкцию. В том случае, если значения температур греющей и обогреваемой среды будут сильно различаться, конструкция должна предусматривать компенсацию температурных удлинений. Если этого не сделать, то корпус будет расширяться быстрее, чем трубный пучок (или наоборот). Это приведет к деформации труб, а значит, ремонт - неизбежен. Возможные варианты решений приведены на рис.4

Рис. 4

I и II - греющая и обогреваемая среда.

• 1 - кожух рекуператора.
• 2 - трубная система.
• 3 - компенсатор.
• 4 - головка трубной системы.

а) Теплообменник с линзовым компенсатором, к которому приварены две независимых части корпуса. Эта конструкция (схема) подходит только для рекуператоров с низкими температурами и давлением. Если подавать на него теплоносители с высокими параметрами, то остановки на ремонт не избежать (работа тонкого компенсатора в таких условиях невозможна). Теплообменник кожухотрубный, чертеж которого показан на рис. 2 как раз относится к линзовым теплообменникам.

б) Рекуператор с плавающей головкой. Трубная система только с одной стороны зажата между фланцами корпуса и крышки (днища). С другой стороны торцы труб вварены в отдельную камеру (головку), которая не связана жестко с корпусом. Таким образом, трубный пучок и корпус могут удлиняться независимо друг от друга. Ремонт в этом случае не составит проблем - трубная система вытаскивается вместе с головкой.

в) Теплообменный аппарат с трубками U-образной формы. Крышка, куда входит греющая среда, разделена перегородкой на две камеры. Принцип, на котором основан теплообмен: в одну камеру входит среда I и по половине труб U-образной формы, проходя весь кожухотрубчатый теплообменник, возвращается во вторую камеру входной крышки. Среда II входит в один патрубок кожуха, циркулирует в межтрубном пространстве и выходит по второму патрубку. Корпус и трубная система расширяются независимо друг от друга.

Программа расчета кожухотрубчатого теплообменника требует четко сформулированных исходных данных. Чтобы работа рекуператора была безупречной, а остановки на ремонт редкими, нужна верно заданная схема.

Есть несколько особенностей, которые очень важны для расчета. Это:

• Скорость теплоносителей. Так, для жидких теплоносителей ω =0,6…6 м/с, для газообразных ω = 3-30 м/с. Чем выше скорость, тем выше тепловая мощность теплообменника. Но при этом растет и расход электроэнергии (нагрузка) на питательный насос, которому нужно «продавить» среду по системе. Чаще всего скорости сознательно занижают.
• При выборе диаметра и материала трубного пучка нужно учесть:
  • качество воды (пара). Шлак и накипь снизят теплопередачу и тепловую мощность рекуператора.
  • чем хуже условия, в которых будет проходить работа теплообменника, тем лучше должна быть сталь, из которой он будет сделан. Если придется делать промывку кислотой, то без нержавейки тут не обойтись. Лучше раз потратиться на изготовление, чем постоянно останавливать рекуператор на ремонт.
• Ограничение по габаритам. Его размеры не должны превышать максимально возможные транспортировочные габариты.
• Ремонтопригодность. После монтажа перед рекуператором должно быть достаточно пространства, чтобы можно было произвести ремонт кожухотрубных теплообменников (вынуть трубную систему из кожуха). Работа сварщиков тоже требует пространства для маневра. Если это невозможно, то рекомендуется конструкция (схема), показанная на рис. 5.
• Удобство эксплуатации. Его конструкция должна предусматривать свободный подход к задвижкам, приборам контроля, фланцам.
• Технология изготовления. Сама работа (технология) и сортамент материалов накладывает определенные ограничения. Так, например, очень трудно будет найти лист толщиной 9 мм, в то время как 10 мм можно купить у любой фирмы. Выточить много деталей - дорого. Желательно такие элементы конструкции сразу менять. И т. д. и т. п.

Рис. 5

Изначально неверный расчет рекуператора и выбор неподходящей схемы - главные причины, из-за которых происходит ремонт теплообменного аппарата. Программа по расчету теплообменных аппаратов существенно ускорит процесс расчета, и снизит процент ошибки до нуля. Простой интерфейс программы будет понятен даже начинающему расчетчику.