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.

Кожухотрубный теплообменник является разновидностью теплотехнических устройств и выполняет функцию передачи тепла от теплоносителя к подогреваемому веществу. В зависимости от конкретного случая в роли теплоносителя может выступать пар или жидкость. На сегодняшний день кожухотрубная модель подогревателя получила наиболее широкое распространение.

Теплообменник — достаточно сложное устройство, применяемое в качестве конденсатора, нагревателя или испарителя

Сферы использования

Производство этих устройств началось ещё в начале ХХ века. Это было связано с тем, что тепловые станции нуждались в подогревателях с большой поверхностью, функционирующих при высоком давлении.

Кожухотрубные подогреватели применяются во многих отраслях, среди которых:

• нефтегазовая промышленность;
• химические производства;
• пищевая отрасль.

Практически каждое производство связано с выделением или поглощением тепла, поэтому теплообменные устройства являются востребованными в самых разных сферах человеческой деятельности. От их конструкции и свойств зависит производительность оборудования на предприятиях, а также функционирование бытовых кондиционеров и обогревателей, радиаторов охлаждения в автомобилях и т. д.

Обратите внимание! Подогреватели такого типа чаще всего используются для охлаждения рабочих жидкостей и нагрева хладагента для работы тепловых насосов.

Кожухотрубные теплообменники широко используются в качестве конденсаторов, а также испарителей. На сегодняшний день благодаря развитию промышленных технологий конструкция теплообменников стала более совершенной и продолжает модернизироваться.

Преимущества и недостатки кожухотрубных теплообменников

С конструктивной точки зрения, теплообменники такого типа похожи на первые модели, которые выпускались в начале ХХ века. Модернизация этих устройств затронула лишь отдельные элементы, однако, основа так и осталась неизменной. Современные материалы, которые используются для кожухотрубных нагревателей, позволяют улучшить их эксплуатационные свойства.

При производстве теплообменников используются современные материалы, в значительной мере улучшающие качества готовых устройств

Кожухотрубные теплообменники отличаются рядом положительных качеств, что позволяет им по сей день оставаться незаменимыми элементами различных производств:

• резистентность к гидроударам в системе;
• возможность работы с загрязнёнными средами;
• низкие показатели теплоотдачи;
• хорошая эффективность;
• износостойкость;
• ремонтопригодность;
• устойчивость к высокому давлению;
• резистентность к агрессивным химическим веществам;
• безопасность эксплуатации;
• надёжность и долговечность.

Подогреватели такого типа имеют и свои недостатки, среди которых:

• довольно большие габариты;
• высокая стоимость.

Устройство и принцип действия

Кожухотрубчатый теплообменник включает в себя несколько элементов конструкции. Рассмотрим основные из них:

• кожух (корпус);
• распределительная и направляющая камеры;
• внутренняя система трубок;
• трубные решётки;
• перегородки и уплотнения.

Данная модель устройства отличается наличием кожуха, который скрывает внутренние трубы, отсюда и название — «кожухотрубный»

К корпусу привариваются два патрубка. Один из них отвечает за подвод рабочей среды, а другой — за вывод. В торцы кожуха приваривают специальные фланцы.

Кроме этого, в состав такого подогревателя входят трубные решётки, между которыми привариваются трубы, оснащённые дистанционными решётками. Такая конструкция образует трубную систему рекуператора и позволяет обогревателю быть многоходовым.

В дно рекуператора вставляются два патрубка, которые так же, как и патрубки корпуса выполняют подводящую и выводящую функцию. Дно рекуператора оснащено фланцами. Фланцы рекуператора являются ответными фланцам корпуса. Трубная система такого устройства вставляется в корпус. Решётки фиксируются с помощью специальных уплотнительных элементов и болтов между фланцами рекуператора и корпуса. Это позволяет, в случае необходимости, беспрепятственно выполнить ремонт любого элемента кожухотрубного устройства.

Принцип действия подогревателя такого типа заключается в следующем: горячая и холодная среда циркулирует по двум различным каналам. Сам процесс передачи тепла осуществляется между стенками этих каналов.

Виды кожухотрубных теплообменников

Кожухотрубный подогреватель является довольно сложным, с конструктивной точки зрения, аппаратом и имеет несколько разновидностей, на которые стоит обратить внимание. Из-за особенностей конструкции (наличия рекуператора), кожухотрубные устройства относят к рекуперативному типу.

Кожухотрубные теплообменники относятся к рекуперативному типу подобных устройств

Кроме этого, в зависимости от направления движения рабочих сред, кожухотрубные подогреватели подразделяют на следующие виды:

• прямоточные;
• перекрёстноточные;
• противоточные.

Своё название кожухотрубная модель получила из-за того, что трубы, по которым циркулирует теплоноситель, размещаются внутри кожуха. Существует зависимость скорости движения рабочей среды от количества трубок, расположенных в кожухе. В свою очередь, чем выше скорость, тем выше показатель теплоотдачи устройства.

Рассмотрим основные материалы, из которых изготавливают такие обогреватели:

• легированная сталь;
• нержавеющая сталь;
• высокопрочная сталь.

Трубки таких устройств могут быть выполнены из следующих материалов:

Использование таких материалов связано с тем, что теплообменники, как правило, эксплуатируются в тяжёлых условиях и контактируют с агрессивными веществами, которые способны вызывать коррозию.

Теплообменники изготавливают из материалов, имеющих высокую сопротивляемость коррозии, например, титана или нержавеющей стали

Важно! Обычная сталь для кожухотрубного теплообменника не подходит, потому что имеет низкую устойчивость к коррозийным воздействиям.

Кожухотрубные модели подразделяются также на типы. На сегодняшний день существует 4 типа этих устройств:

• подогреватель, оснащённый температурным корпусным компенсатором;
• подогреватель со статичными (неподвижными) трубками;
• устройство с U-образными и W-образными трубками;
• устройство c плавающей головкой.

Кожухотрубные подогреватели могут располагаться в пространстве горизонтально, вертикально или под определённым углом.

Увеличение коэффициента теплообмена

Промышленность не стоит на месте — постоянно происходит модернизация теплообменных устройств. Улучшение технических характеристик достигается благодаря использованию следующих способов:

• создание турбулентных потоков;
• выполнение спиралевидных вставок, благодаря которым образуется продольное и поперечное обтекание трубок;
• производство профильных и витых труб;
• использование смесей, в которые входят жидкости и газы;
• создание вибрации поверхностей, которые отвечают за теплообмен;
• пульсирующая подача рабочей среды.

Вышеперечисленные методы позволяют увеличить коэффициент теплоотдачи. Распространено также использование нескольких методов одновременно. Такая комбинация способна значительно повысить эксплуатационные характеристики кожухотрубного подогревателя в 2–3 раза. Стоит также отметить, что некоторые методы не только увеличивают показатели теплоотдачи, но и могут выполнять другие полезные функции. Например, турбулентные потоки препятствуют образованию солевых отложений на внутренних стенках труб, что позволяет исключить сужение просвета трубок.

Постоянное усовершенствование конструкции теплообменника позволяет увеличить теплоотдачу и повысить эксплуатационные характеристики

Советы по выбору теплообменника

Программа расчёта кожухотрубного подогревателя нуждается в чёткой формулировке исходных данных. Хорошая работа рекуперативного устройства требует чётко сформулированной схемы. Существует несколько положений, которые необходимо учитывать при выборе кожухотрубного теплообменника. Эти положения являются очень важными для расчётов.

В первую очередь стоит отметить, что для жидких и газообразных теплоносителей существует своя скорость циркуляции по трубкам. Как уже было сказано выше, чем больше скорость, тем, соответственно, лучше теплоотдача. Для жидких сред скорость колеблется от 0,6 до 6 м/с. Для газообразных сред скорость может быть от 3 до 30 м/с. Однако от скорости зависит и количество затрачиваемой электроэнергии, поэтому в некоторых случаях скорость теплоносителя занижают, чтобы снизить расход электричества.

При выборе трубок стоит обратить внимание на материал, из которых они изготовлены, а также на их диаметр. Материал трубок подбирается в зависимости от рабочей среды, которая будет циркулировать по ним. Необходимо запомнить — чем агрессивнее среда, тем надёжнее должен быть материал трубок.

Важно! Если очистка системы будет производиться с использованием кислоты, то тогда рекомендуется выбирать трубки из нержавеющей стали. Нержавейка отличается высокими антикоррозийными свойствами, имеет отличную сопротивляемость к агрессивным реагентам и, кроме того, обладает низким коэффициентом теплопроводности.

Кожухотрубные теплообменники являются довольно громоздкими аппаратами, поэтому при их выборе стоит учитывать их размеры, чтобы в последующем не возникло сложностей с их транспортировкой и установкой.

Крупногабаритные устройства имеют значительный вес, что увеличивает расходы на транспортировку

Также необходимо учесть то, что после установочных работ перед рекуператором должно быть достаточно места, чтобы в случае необходимости провести оперативный ремонт устройства. Места должно быть столько, чтобы можно было извлечь трубную систему из корпуса. Кожухотрубный теплообменник должен иметь конструкцию, которая учитывает свободный доступ не только к основным элементам, но и к остальным запчастям. Особенно это касается приборов контроля.

Советы по эксплуатации кожухотрубного теплообменника

Теплообменники такого типа хоть и являются довольно неприхотливыми устройствами, однако, и они рано или поздно нуждаются в профилактических очистках или ремонте.

Ремонт теплообменника влечёт за собой некоторые последствия — чаще всего это уменьшение коэффициента теплоотдачи. Наиболее уязвимая часть кожухотрубного подогревателя — трубки. Как правило, именно они становятся причиной поломки. Зная об этой особенности теплообменных аппаратов, специалисты советуют приобретать их с запасом. Кроме этого, часто возникают проблемы, когда осуществляется регулирование этих устройств по конденсату. Любые изменения влекут за собой отклонения в площади теплообмена. Изменения в площади теплообмена, как правило, являются нелинейными.

Выполнить такое устройство своими руками довольно сложно, а в некоторых случаях — невозможно. Кожухотрубный теплообменник является очень сложным оборудованием, для производства которого требуется чёткое соблюдение технологического процесса, включающего в себя множество этапов.

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.