Ювелирное обозрение

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.

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.

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.

Советы и рекомендации

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

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

Надо также отметить, что могут возникать некоторые сложности при регулировании таких теплообменников «по конденсату». При любых изменениях соответственно изменяется и площадь теплообмена. При этом следует читывать, что изменяется площадь нелинейно.

Изготовить кожухотрубный теплообменник самостоятельно сложно, а во многих случаях просто невозможно. Это сложное устройство, при производстве которого должны быть строго соблюдены все этапы технологического процесса.

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 кожухотрубных теплообменников 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 кожухотрубчатого теплообменника 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 кожухотрубчатых теплообменниках 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.

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.

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.

Советы и рекомендации

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.

“>