В условиях рыночной экономики можно причислить к основным факторам, оказывающим непосредственное влияние на определение стратегии технологического переоснащения и технического перевооружения любого предприятия. Надежность, экономичность, доступность гарантийного и сервисного обслуживания сегодня являются базовыми элементами, на которых зиждется экономическая успешность и процветание всех участников экономических отношений.
При закупке новых видов оборудования любая организация руководствуется в первую очередь вышеуказанными критериями. Высококачественные кожухотрубные теплообменники как раз являются таким эффективным и экономичным оборудованием. Сегодня актуальность этих аппаратов для предприятий любого профиля и направленности даже не подвергается сомнениям. В нынешнее время теплообменники кожухотрубные наиболее широкое применение нашли в нефтехимической, химической и пищевой промышленности, в жилищно-коммунальном хозяйстве и энергетической отрасли.
Наглядность, яркость таких новейших технико-экономических решений, имеющих немало преимуществ по сравнению с морально устаревшими типами оборудования, в последнее время привлекают все больше предприятий различных отраслей народного хозяйства. Ведь кожухотрубные теплообменники позволяют значительно снизить расход теплоресурсов, что позитивно сказывается на себестоимости продукции и, следовательно, на ее конечной цене. А это необычайно важно в современных экономических реалиях с их условиями жесткой конкуренции.
Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, где происходит процесс теплообмена между различными рабочими средами (вне зависимости от их технологической спецификации и энергетического предназначения). Как правило, такие устройства выполняют функции подогревателей, испарителей, конденсаторов, пастеризаторов, деаэраторов, экономайзеров и др.
Кожухотрубные теплообменники могут иметь чрезвычайно многообразное технологическое назначение и использоваться в производстве самого различного профиля. Спектр их применения сегодня необычайно широк. Теплообменник кожухотрубный, основными конструкционными элементами которого являются пучки труб с решетками, корпус, патрубки и крышки, может использоваться в качестве агрегата, в котором передача тепловой энергии является основным технологическим процессом, или как реактор, в котором теплообмен носит исключительно вспомогательный характер.
Принцип работы кожухотрубных теплообменников базируется на процессе теплопередачи от среды, движущейся с высокой скоростью внутри труб небольшого диаметра, к среде, циркулирующей в кожухе. С целью увеличения интенсификации процесса теплообмена такие агрегаты часто оснащаются специальными перегородками в трубном и межтрубном пространствах.
Кожухотрубные теплообменники могут иметь вертикальную, горизонтальную или наклонную пространственную ориентацию (в зависимости от требований и в соответствии с удобством монтажа). Такие агрегаты являются полноценной альтернативой пластинчатым теплообменникам, в сравнении с которыми хоть и имеют более низкий КПД передачи энергии, но зато обладают относительной простотой конструкции, а также низкой стоимостью, что может быть решающим аргументом при выборе подобного оборудования.
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.
Кожухотрубные теплообменники – аппарат теплообмена между двумя потоками с нагревом одной среды (жидкой, газообразной) за счет охлаждающего агента. В процессе термического процесса не происходит перемешивания двух сред, они могут менять агрегатное состояние. Горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, а теплообмен происходит через стенки трубных пучков. Для увеличения теплопередающей поверхности используют оребрение труб, которое выполняется навивкой стальной ленты.
Название аппарат получил от кожуха с расположенными внутри трубками, посредством которых и осуществляется рекуперация. Диапазон рабочих температур аппарата от -60°С до +600°С. В зависимости от назначения он может служить теплообменником, холодильником, конденсаторами или испарителем.
Изделие находит применение в теплотехнике для оборудования систем ГВС. Высокая эффективность теплообменников сокращает расход топлива, затрачиваемого на технологический процесс или теплообеспечение. Кожухотрубные теплообменники всегда занимали лидирующие позиции по востребованности на рынке отопительного оборудования. За последние 15–20 лет появилось много новых аналогов с отличными характеристиками. Однако теплотехники предпочитают использовать эти, проверенные временем, надежные тепловые агрегаты.
Какие существуют виды теплообменников?
Согласно ГОСТ 9929–82 кожухотрубчатые теплообменные изделия выпускаются диаметром от 15,9 см до 300 см и выдерживают давление в диапазоне от вакуума до 160 кгс/см². В длину аппарат может быть от нескольких сантиметров до 8–9 метров.
Поверхность теплообмена может достигать нескольких тысяч квадратных метров.
Изделия выпускаются следующих видов:
Н – с неподвижно встроенными трубчатыми решетками;
К – с температурным компенсатором;
П – с плавающей головкой;
У – с U-образной формой трубчатых элементов;
ПК – комбинированная, оснащена плавающей головкой со встроенным компенсатором.
Кожухотрубчатые теплообменники с неподвижными трубными решетками имеют жесткую конструкцию компонентов. Они наиболее распространены в нефтегазовой отрасли и химической промышленности. Этот вид занимает 75% всего рынка кожухотрубчатых теплообменников. Отличительной особенностью этого вида является то, что теплообменные трубы жестко скреплены с трубными решетками (развальцованы), которые в свою очередь, приварены к внутренней стенке корпуса. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений элементов в распределительной камере.
Для подачи и отвода теплоносителя труб и межтрубного пространства, а также отвода конденсата изделия оборудуются штуцерами или другой трубопроводной арматурой, выходящей наружу теплообменника. Интенсивность теплоотдачи при поперечном перемещении потока выше, поэтому его направляют по зигзагообразной траектории. Для этого устанавливают поперечные перегородки, они не примыкают к внутренней поверхности кожуха, оставляя зазор для перемещения потока. Для сосредоточения потока ближе к пучку труб, специальными пластинами сужают рабочее пространство камеры.
В кожухотрубном теплообменнике с компенсатором на корпусе тепловые удлинения компенсируются продольным сжатием или удлинением гибких вставок и расширителей. Такие аппараты применяются при избыточной деформации компенсатора в пределах 10–15 мм. В такой полужесткой конструкции могут применяться линзовые, сальниковые или сильфонные компенсаторы для компенсации температурных удлинений и перекоса труб.
Более совершенной считается конструкция аппарата с плавающей головкой . Одна из трубных досок крепится жестко, другая решетка свободно перемещается вместе с трубной системой. Плавающей готовкой называют подвижную решетку с крышкой, которой она оснащена. Некоторое удорожание аппарата ввиду увеличения диаметра корпуса и дополнительного днища оправдывается большей надежностью в эксплуатации.
В изделии с U-образными трубами оба конца трубного пучка закреплены на одной трубной решетке, труба изогнута петлей на 180° радиусом 4d или больше. Это позволяет трубам свободно удлиняться в сторону изгиба трубного пучка.
По направлению перемещения среды в аппарате различают одно/многоходовые теплообменники . В одноходовом вещество двигается однократно по кратчайшей траектории от входа к выходу. Наиболее ярким представителем этого вида является водоводяной подогреватель ВВП, применяемый в отопительных системах. Когда лучше применять такой аппарат? Лучше всего там, где не требуется высокая интенсивность процесса теплообмена и где существует небольшая разница между температурой теплоносителя и окружающей среды.
В многоходовых поток перенаправляют с помощью системы продольных и поперечных перегородок в объеме. Оптимальным считается применение теплообменника в тепловых системах с большой скоростью перемещения или низкой теплоотдаче агента. По способу перемещения агента различают прямоточные, противоточные и перекрестноточные изделия.
Для работы теплообменника в агрессивных средах вместо стального пучка труб применяют графитовые или стеклянные трубы, герметизируют корпус сальниками специальных материалов.
По какому принципу работают агрегаты?
Применяемый в функционале принцип рекуперации основывается на раздельном теплообмене без перемешивания продуктов. Теплопередача от более нагретой среды менее нагретой осуществляется через стенки труб, разделяющих два агента. При этом соблюдается принцип противотока, как обеспечивающий оптимальную теплопередачу. Один теплоноситель (жидкость, газ, пар) подается под давлением в пространство между труб, второй циркулирует по трубам и может отличаться агрегатным состоянием от первого.
Далее между жидкими и газообразными веществами происходят теплообменные процессы в штатном режиме. Для увеличения коэффициентов теплоотдачи используются достаточно высокие скорости продуктов. У пара и газа она должна быть 8–25 м/с, для жидких агентов от 1,5 м/с. Для повышения теплоотдачи трубы снабжаются специальными ребрами.
Из чего состоит кожухотрубчатый аппарат?
Главным достоинством кожухотрубчатого теплообменника и причиной популярности является несложная, но очень надежная конструкция. Она состоит из распределительной камеры, оснащенной патрубками, цилиндрического кожуха, трубных решеток и пучка труб. Конструкция дополнена крышками с торцов и опорами для размещения на горизонтальном основании или креплениями при другой ориентации в пространстве.
Для интенсификации теплообмена применяют трубы с наружными ребрами, увеличивающими теплоотдачу. Если требуется снизить теплоотдачу в окружающую среду и повысить теплоаккумулирующие свойства, кожух покрывают теплоизолирующим слоем. Также есть конструкции «труба в трубе». Кожух чаще всего изготавливается из листовой стали толщиной не менее 4 мм. Решетки чаще всего производятся из того же материала и имеют толщину не менее 20 мм. Основным конструкционным элементом является пучок металлических труб, с одной или обеих сторон он крепится к трубным решеткам.
Маркировка изделий
Маркировка теплообменников состоит из последовательности знаков буквенно-цифрового кода. Например, аббревиатура 1400 ТКГ-1,5-0,5 – М1/40Д-6-1-У-И расшифровывается так:
диаметр 1400 мм;
давление внутри труб 1,5 Мпа;
то же, только в пространстве между труб 0,5 Мпа;
тип материала М1;
трубы оребренные диаметром 40 мм;
длина изделия 6 м;
одноходовая конструкция;
используется в умеренном климате;
имеются приспособления для крепления внешней теплоизоляции.
Преимущества и недостатки изделий
Кожухотрубчатые теплообменники имеют ряд достоинств, обеспечивших конкурентные преимущества в своем сегменте теплообменников на рынке теплового оборудования:
1. Они обладают высокой стойкостью к гидроударам в то время, когда другие аналоги такой способностью не обладают.
2. Они могут работать с загрязненными продуктами или в агрессивных средах в отличие от других теплообменников. Например, пластинчатые аналоги работают исключительно на чистом агенте.
3. Простота обслуживания (легко производить механическую очистку), проведения ПТО и высокая ремонтопригодность.
Недостатками изделий этого типа являются:
1. Более низкий по сравнению с пластинчатыми изделиями коэффициент полезного действия, меньшая площадь теплопередающей поверхности.
2. Большие габариторазмеры, следствием чего является повышенная материалоемкость и стоимость аппарата.
3. Значительная зависимость теплоотдачи от скорости перемещаемого агента.
Область применения аппаратов
Кожухотрубчатые аппараты применяются в качестве базисного оборудование для тепловых пунктов и инженерных сетей жилищно-коммунального хозяйства. Индивидуальные тепловые пункты (ИТП) имеют существенные преимущества перед централизованным тепловодоснабжением. Они более эффективно производят энергообеспечение объектов и обеспечение теплового режима зданий, чем теплоцентрали.
Теплообменное оборудование этого типа незаменимо в случаях, когда требуется обеспечить развязку по давлению и температуре теплоносителя во вторичном контуре ГВС от подачи сетевой воды. Это особенно актуально, если отопительная система подключается к теплоснабжающей сети по независимой схеме присоединения. Подобное случается, когда статическое давление, например, отопительных систем присоединенных зданий ввиду неровностей рельефа выше, чем в линии сети. Или наоборот, когда давление в сетевой «обратке» выше, чем в обслуживающей системе отопления.
Теплообменники этого типа применяются в нефтяной, газовой, химической промышленности. Их можно обнаружить в большой теплоэнергетике, где используются теплоносители с высокими параметрами. Разносторонняя сфера применения не ограничивается только этими отраслями. В качестве испарителей используются в ребойлерах, конденсаторах-холодильниках воздушного охлаждения, ректификационных колоннах. Могут также задействоваться для охлаждения сырьевых масс, компонентов или готовой продукции. Они широко применяются в технологических процессах молочного, пивного и других производствах пищевой промышленности.
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.
Металический теплообменникТеплообменники, 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».