Кожухотрубные теплообменники. Кожухотрубный теплообменник: технические характеристики и принцип работы

КОЖУХОТРУБЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ.

Теплообменники жесткого типа (рис. 8.3.2) имеют цилиндрический корпус 1 , в котором установлен трубный пучок 2, закрепленный в трубных решетках 4, в которых трубки закреплены развальцовкой или сваркой. Корпус аппарата закрыт крышками 5 и 6. Внутри корпуса установлены перегородки 3, создающие определенное направление движения потока и увеличивающие его скорость в корпусе (рис. 8.3.4).

Рис. 8.3.2. Кожухотрубчатый теплообменник жесткого типа:

1 - кожух (корпус); 2 - трубка; 3 - поперечная перегородка; 4 - трубная решетка; 5 - крышка; 6 - крышка (распределительная коробка); 3,8 - продольные перегородки соответственно в распределительной коробке и в корпусе.

Рис. 8.3.3. Кожухотрубчатый теплообменник с линзовым компенсатором на корпусе.

Для удлинения пути жидкости в корпусе пучки труб снабжают поперечными перегородками из листовой стали толщиной 5 мм и более. Расстояние между перегородками принимают от 0,2 м до 50 Д Н – наружный диаметр теплообменной трубы. Геометрическая форма перегородок и их взаимное расположение определяют характер движения потока по корпусу теплооб­менника.

Рис. 8.3.4. Типы поперечных перегородок:

I – с секторным вырезом, обеспечивающим ток жидкости по винтовой линии;

II – с щелевым вырезом, обеспечивающим волнообразное движение;

III – с сегментным вырезом;

IV – кольцевые, обеспечивающие движение от периферии к центру, и наоборот.

Поперечные перегородки фиксируются одна по отношению к другой посредством распорных труб, прижимаемых к ним общими тягами (обычно четырьмя). Кроме технологического назначения поперечные перегородки служат также промежуточными опорами для трубного пучка, препятствуя прогибанию его при горизонтальном расположении аппарата.

Одна из теплообменивающихся сред движется по трубкам, а другая - внутри корпуса между трубками. В трубки пускают более загрязненную среду, а также среду с меньшим коэффициентом теплоотдачи, так как очистка наружной поверхности трубок затруднена, а скорости движения среды в межтрубном простран­стве меньше, чем в трубках.

Поскольку температуры теплообменивающихся сред различаются, корпус и трубки получают различные удлинения, что приводит к возникновению дополнительных напряжений в элементах теплообменника. При большой разности температур это может привести к деформации и даже разрушению трубок и корпуса, нарушению плотности развальцовки и т.п. Поэтому теплообмен­ники жесткого типа применяют при разности температур теплообменивающихся сред не более 50°С.

Теплообменники с линзовым компенсатором на корпусе (рис. 8.3.3 ) применяют для уменьшения температурных напряжений в аппаратах жесткого типа. Такие теплообменники имеют на корпусе линзовый компенсатор, за счет деформации которого снижаются температурные усилия в корпусе и трубках. Это снижение тем больше, чем больше число линз у компенсатора.

Теплообменники с плавающей головкой (рис. 8.3.5) нашли наи­более широкое применение. В этих аппаратах один конец трубного пучка закреплен в трубной решетке, связанной с корпусом (на рис. слева), а второй может свободно перемещаться относительно корпуса при температурных изменениях длины трубок. Это устраняет температурные напряжения в конструкции и позволяет работать с большими разностями температур теплообмениваю­щихся сред . Кроме того, возможна чистка трубного пучка и корпуса аппарата, облегчается замена труб пучка. Однако конструк­ция теплообменников с плавающей головкой более сложна, а плавающая головка недоступна для осмотра при работе аппарата.

Рис. 8.3.5. Кожухотрубчатый теплообменный аппарат с плавающей головкой:

1 – кожух; 2,3 – входная и выходная камеры (крышки); 4 – трубный пучок; 5 – трубные решётки; 6 – крышка плавающей головки; 7 – перегородки; 8 – струбцины крепления крышки; 9 – опоры; 10 – фундамент; 11 – межтрубные направляющие перегородки; 12 – скользящая опора трубного пучка; I, II – вход и выход греющего теплоносителя; III, IV – вход и выход нагреваемого потока.

Перегородки, устанавливаемые в распределительной камере и в плавающей головке, увеличивают число ходов в трубном пучке. Это позволяет увеличить скорость движения потока и коэффициент теплоотдачи ко внутренней стенке труб.

Межтрубное пространство аппаратов с плавающей головкой обычно выполняется одноходовым. При двух ходах в корпусе устанавливают продольную перегородку. Однако в этом случае требуется специальное уплотнение между перегородкой и корпусом. Поверхность теплообмена кожухотрубчатых теплообменников может составлять 1200 м 2 при длине труб от 3 до 9 м; условное давление достигает 6,4 МПа.

Теплообменники с U-образными трубками (рис. 8.3.6) имеют трубный пучок, трубки которого изогнуты в виде латинской буквы и, и оба конца закреплены в трубной решетке, что обеспечивает свободное удлинение трубок независимо от корпуса. Такие теплообменники применяют при повышенных давлениях. Среда, направляемая в трубки, должна быть достаточно чистой, так как очистка внутренней поверхности труб затруднена.

Рис. 8.3.5. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой.

Рис.8.3.6. Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными трубками

В зависимости от числа продольных перегородок в корпусе и распределительных коробках теплообменные кожухотрубчатые аппараты делятся на одно-, двух- и многоходовые как в трубном, так и в межтрубном пространстве. Так, на рис. 8.3.2 теплообменник является двухходовым как по трубному, так и по межтрубному пространству, что достигается установкой продольных перегородок 7 и 8.

теплообменники типа ""труба в трубе".

В отличие от кожухотрубчатых аппаратов, где в кожухе размещается пучок из нескольких сотен трубок, в аппаратах этого типа каждая трубка имеет свой индивидуальный кожух (рис. 8.3.7). Теплообменный аппарат набирается из нескольких таких секций, соединенных коллекторами на входе и выходе греющего теплоносителя. Применяют такие аппараты для нагрева вязких и высоковязких нефтепродуктов (нефти дизельного топлива, мазутов, гудронов).

Аппараты "труба в трубе" изготавливают неразборными и разборными. Первые из них используют для сред, не дающих отложений в межтрубном пространстве, внешние трубы которых соединены патрубками сваркой. Соединения внутренних труб у таких аппаратов могут быть жесткими (переходные двойники 3 приварены к трубкам) и разъемными (двойники на фланцах, как показано на рисунке). При жесткой системе теплообменник может применяться для таких сред, при использовании которых разность температур наружной и внутренней трубы должна быть не более 50°С.

Рис. 8.3.7. Секция четырехходового неразборного теплообменника типа "труба в трубе":

1, 2 – наружная и внутренняя трубы; 3 – поворотный двойник;I, II – вход и выход греющего теплоносителя; III, IV – вход и выход нагреваемого потока.

Рис. 8.3.8. Секция однопоточного разборного теплообменника типа "труба в трубе":

1 – внешние трубы; 2 – внутренние трубы; 3 – крышка; 4 – поворотные двойники; 5 –перегородка; 6 – трубная решетка; А – вход и выход более загрязненного потока; Б – вход и выход менее загрязненного потока

Разборные аппараты "труба в трубе" (рис. 8.3.8) выполняют из секций, где внешние трубы 4 объединяются общей крышкой 3, служащей для поворота потока теплоносителя из одной внешней трубы в другую, а внутренние трубы соединяются с помощью поворотных двойников на фланцах внутри этой крышки. Из таких секций может набираться батарея многопоточного аппарата, если расход теплоносителей большой (10–200 т/ч в трубе и до 300 т/ч в межтрубном пространстве). Преимущество разборных аппаратов "труба в трубе" состоит в том, что их можно регулярно (как и кожухотрубные) очищать от отложений и менять внутренние или внешние трубы в случае их повреждений или коррозии.

Обычно в аппаратах "труба в трубе" более загрязненный поток теплоносителя пускают по внутренним трубкам, а менее загрязненный – по межтрубному пространству.

В теплообменниках разборной конструкции внутренние трубы снаружной стороны могут иметь оребрение для увеличения площади теплообмена и повышения тем самым эффективности теплопередачи. Разборные теплообменники позволяют осуществлять чистку наружных и внутренних поверхностей труб, а также применять оребрённые внутренние трубы. Это дает возможность значительно увеличить количество переданного тепла . На рис 8.3.9 показаны оребрённые трубы.

Рис. 8.3.9. Оребрённые трубы:

а - ребра корытообразные приварные; б - ребра завальцованные; в - ребра выдавленные; г - ребра приварные шиповидные; д - ребра накатанные.

Технологические и производственные возможности ЗАО«Опытное машиностроительное производство» , а также накопленный опыт изготовления теплообменного оборудования, позволяют нам производить качественные теплообменные аппараты с широким спектром применения в различных отраслях промышленности.

Возможности производства по изготовлению теплообменных аппаратов:

• изготовление теплообменников как по чертежам заказчика, так и по различным стандартам, ГОСТам и ТУ, в том числе производство кожухотрубных, кожухотрубчатых теплообменников
• изготовление теплообменников, как из материала Исполнителя, так и из материала заказчика, с проведением входного контроля материалов
• проведение предусмотренных технической документацией гидравлических испытаний до 10 МПа (100 кг/см2)
• неразрушающий контроль сварных соединений (капиллярный, ультразвуковой (УЗК), рентгенографический) проводимый квалифицированными специалистами собственной аттестованной лаборатории
• наличие грузоподъемного оборудования в сочетании с железнодорожными путями прямо в цехе, позволяющими производить и отгружать теплообменные аппараты и конденсационные установки весом свыше 100 тонн
• нанесение (по желанию заказчика) защитных антикоррозионных покрытий для защиты от химически агрессивных сред и т.п.
• выполнение эффективной теплоизоляции теплообменных аппаратов и конденсационных установок (по желанию заказчика)
• наличие квалифицированного персонала

Наши преимущества:

• Изделие отвечает техническим требованиям заказчика
• Использование всего накопленного опыта компании
• Гибкое взаимодействие с заказчиком
• Отсутствие трудностей согласования
• Гарантия качества изготовления
• Непрерывное совершенствование технологии изготовления и производственных возможностей

Теплообменный аппарат (или теплообменник) - это устройство, в котором осуществляется передача тепла от одной рабочей среды к другой.

В качестве теплоносителей могут быть жидкости, газы, пары. В теплообменниках в зависимости от назначения протекают процессы нагревания или охлаждения, кипения, конденсации и многие другие технологические используемые в металлургической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, газовой, химической и других отраслях промышленности (в т. ч. в энергетике) и коммунальном хозяйстве.

По способу передачи тепла теплообменники подразделяются на смесительные и поверхностные .

Теплообменные аппараты со смешиванием теплоносителей, в таких смесительных теплообменниках теплоносители контактируют непосредственно и смешиваются, при этом теплообмен сопровождается массообменном.

В поверхностных теплообменниках передача тепла происходит через разделительную твердую стенку и между теплоносителями отсутствует непосредственный контакт.

Различают также рекуперативные и регенеративные теплообменные аппараты.

Рекуперативные теплообменники - это теплообменники, в которых холодный и горячий теплоносители движутся в разных каналах, а теплообмен происходит через стенку между ними.

В регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители контактируют с твердой стенкой поочередно.

Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдается при контакте с холодным/

Смесительные теплообменники

Смесительные (контактные) теплообменники - это теплообменники со смешением сред, предназначенные для осуществления теплообменных и массообменных процессов путем прямого смешения.

В этом заключается их главное отличие от поверхностных теплообменников. Пароводяные струйные аппараты (ПСА) , использующие в своей основе струйный инжектор, являются наиболее распространенными смесительными теплообменниками струйного типа. Конструкция смесительных теплообменных аппаратов проще поверхностных, тепло используется более полно вследствие прямого контакта теплоносителей.

Однако следует заметить, что смесительные теплообменники со смешением сред пригодны, только если технологический процесс допускает такое смешение. В настоящее время тепловые схемы крупных энергоблоков мощностью от 300 до 1200 МВТ для ТЭЦ и АЭС содержат подогреватели конденсата смешивающего типа. Применение таких аппаратов повышает общий КПД турбоустановки. Однако, дополнительное число насосов для перекачки конденсата, требования к защите от заброса воды, сложности размещения подогревателей ограничивают широкое распространение смешивающих подогревателей. Широкое применение данный тип теплообменников находит также в установках утилизации тепла дымовых газов, отработанного пара и т.п.

В промышленности наиболее распространены поверхностные рекуперативные теплообменники:

• кожухотрубные теплообменники
• пластинчато-ребристые теплообменники
• пластинчатые теплообменники
• ребристые теплообменники
• объемные и погружные теплообменники
• витые теплообменники
• змеевиковые
• спиральные теплообменники
• двухтрубные (типа «труба в трубе») теплообменники

Кожухотрубные теплообменники являются наиболее распространенными аппаратами. Они используются в различных технологических процессах, сопровождающихся теплообменом между жидкостями, парами и газами, в том числе при изменении агрегатного состояния. Теплообменные аппараты кожухотрубчатые состоят из трубных пучков, закрепленных в трубных досках с промежуточными перегородками, корпусов (кожухов), крышек, камер, патрубков и опор. Поверхность теплопередачи таких теплообменных кожухотрубчатых аппаратов может достигать нескольких десятков тысяч квадратных метров и состоять из десятков тысяч труб. В конструктивной схеме кожухотрубных теплообменников обеспечивается разобщение внутритрубного и межтрубного пространства, причем каждое из них может быть разделено на несколько ходов рабочей среды (теплоносителя).

По своей конструктивной схеме кожухотрубные подогреватели могут быть:

• кожухотрубчатые теплообменники с жестким прикреплением концов труб в основных (концевых) трубных досках;
• кожухотрубчатые теплообменники с промежуточными поперечными перегородками по длине труб (между основными трубными досками);
• кожухотрубчатые теплообменники с линзовым компенсатором на корпусе;
• кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубками;
• кожухотрубчатые теплообменники с плавающей камерой;
• кожухотрубчатые теплообменники с сильфонным компенсатором на подводящем патрубке;
• кожухотрубчатые теплообменники с поперечным расположением пучков трубок относительно корпуса.

Достоинства кожухотрубных теплообменников:

• простота конструкции, технологии изготовления монтажа и ремонта
• бóльшая тепловая мощность аппаратов по сравнению с пластинчатыми
• лучше приспособлены для очистки, что заметно облегчает обслуживание и повышает срок их службы (процесс очистки особенно эффективен с применением систем шариковой очистки (сшо))
• ремонтопригодность и его экономическая целесообразность замены отдельных частей аппаратов
• как следствие всего перечисленного, меньшая стоимость эксплуатации кожухотрубных теплообменников

В настоящее время стали появляться современные кожухотрубные теплообменники, оснащенные трубками, профилированными таким образом, что рост гидравлического сопротивления ненамного превышает рост теплоотдачи вследствие применения завихрителей потока. Это достигается накаткой на внешней поверхности трубы кольцевых или винтообразных канавок, вследствие образования которых на внутренней поверхности трубы образуются плавно очерченные выступы небольшой высоты, повышающие теплоотдачу в трубках. Эта технология, в дополнение к таким важным показателям как высокая надежность и меньшая стоимость, дает отечественному кожухотрубному оборудованию дополнительные преимущества по сравнению с иностранными пластинчатыми аналогами .

Ребристые теплообменники применяются с целью увеличения теплопередачи через металлические стенки ребер в случаях, когда коэффициенты теплоотдачи по обеим сторонам стенки сильно различаются: например, при передаче тепла от конденсирующегося пара к стенке и от стенки к нагреваемому воздуху. Оребрение поверхности теплообмена вводится со стороны стенки с более низким коэффициентом теплоотдачи. В промышленности используются теплообменные аппараты с различными видами оребрения: шайбовое, пластинчатое, спиральное, проволочное, плавниковое, поперечное и продольное разрезное и т.д. Для оребрения теплообменных аппаратов выбирают тонкостенный, теплопроводный материал, прикрепляемый к стенке сваркой, пайкой, накаткой и т.п.

Пластинчатые теплообменники используются для осуществления теплообмена между газами и другими теплоносителями обычно с низкими значениями коэффициентов теплоотдачи. Конструктивно эти аппараты набирают из штампованных пластин, образующих между собой с одной стороны пластины каналы для одного теплоносителя, а с другой - для другого.

Пластины разделяются прокладками между ними, могут свариваться попарно и составлять необходимую поверхность теплообмена.

Достоинствами пластинчатых теплообменников является их компактность, значительная, удельная к объему поверхность нагрева. Хорошая тепловая эффективность для ряда сочетаний параметров теплоносителей.

К недостаткам пластинчатой конструкции можно отнести невозможность использования при высоких давлениях сред, небольшую тепловую мощность, ограниченный срок службы, трудности эксплуатации, очистки, герметичность и ремонт. Повышенные требования к качеству теплоносителей.

Пластинчато-ребристые теплообменники состоят из системы разделительных пластин, между которыми находятся ребристые поверхности - насадки, присоединенные к пластинам. Пластинчато-ребристые теплообменники,как правило, неразборные и различаются по типу ребер (гладкие, волнистые, прерывистые и др.), а также по направлению рабочих сред (прямоточные, противоточные, перекрестные).

В объемных теплообменниках (кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубками) одна из сред сосредоточена в незамкнутом объеме или в сосуде большого объема, а вторая протекает через трубный пучок прямых, U-образных или спиральных труб. Используются объемные теплообменники с погруженным трубчатым змеевиком или пучком прямых труб.

Витые теплообменники распространены в холодильной и химической промышленности. В таких аппаратах удается разместить большую поверхность теплообмена, чем в прямотрубных аппаратах. Витой теплообменник состоит из центральной трубы (сердечника) на которую навивают по спирали пучки труб. Шаг навивки и расстояние между трубами выбирается из условия равной длины труб. В разных рядах труб разное направление навивки (левое и правое). Дистанционные прокладки устанавливают зазор между трубами. Витые трубные пучки обеспечивают температурную компенсацию и плотность в местах их заделки. Как правило, витые трубные системы выполняются многозаходными.

Змеевиковые теплообменники являются кожухотрубными аппаратами, содержащими змеевиковые трубы, витки которых располагаются по винтовой линии. Змеевиков присоединяемых к коллектору подвода теплоносителя может быть несколько. В пароводяных теплообменниках греющая среда-пар обычно подводится сверху, а охлажденная среда-вода во внутритрубное пространство снизу. Также аппараты широко применяются в системах подогрева конденсата и питательной воды паротурбинных установок, к примеру кожухотрубный теплообменник конденсатор, однако в настоящее время все больше вытесняются «камерными» теплообменниками, содержащими камеры для подвода теплоносителя. Одновременно появляются проектно-конструкторские разработки современных коллекторно-спиральных пароводяных теплообменников для использования в системе подогрева питательной воды турбоустановок ТЭС и АЭС. По мнению разработчиков, применение таких аппаратов может дать весьма значительное снижение металлоемкости всего теплообменного оборудования паротурбинных установок.

Спиральные теплообменники являются одними из простых по конструкции аппаратов и состоят из двух стальных лент, навитых по спирали вокруг центральной разделительной перегородки и образующих два параллельных спиральных канала для рабочих сред. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничены с торцов крышками, в которых имеются патрубки для подвода или отвода среды. Также аппараты обычно применяют при небольших расходах, а также разностях давлений и температур рабочих сред. В последние годы также аппараты вытесняются пластинчатыми теплообменниками.

Двухтрубные теплообменники типа «труба в трубе» давно применяются в промышленности. Также аппараты удобны для нагрева и охлаждения рабочих сред, находящихся под высоким давлением. В этих теплообменниках достигаются хорошие коэффициенты теплопередачи. В изготовлении, при монтаже и эксплуатации они довольно просты, причем при отсутствии необходимости чистки они изготавливаются сварными. Однако, несмотря на простоту конструкции, такие теплообменники довольно громоздки, их удельная металлоемкость по сравнению с другими аппаратами высока. По этой причине область применения таких теплообменников непрерывно сокращается.

Наш производственный опыт показывает, что важным фактором, влияющим на качество изготовления такого сложного оборудования, как теплообменные аппараты, работающие под давлением, является не только наличие технической документации, но и технически грамотно разработанная технология изготовления . Хотим обратить внимание на то, что в отличие от технической документации и производственного оборудования, технология изготовления - это не тиражируемая категория; она привязана к конкретному производству, что дает последнему серьезные преимущества перед конкурентами, не имеющими собственной, проверенной временем технологии. Очевидно, что уже освоенная и хорошо себя зарекомендовавшая производственная технология позволяет в кратчайшие сроки начинать изготовление серийных и малосерийных изделий, а так же быстро осваивать производство опытных единичных образцов продукции.

Главные конденсаторы турбин

Служат для создания вакуума в выхлопном патрубке турбины, сохранения, первичной деаэрации и возврата в цикл конденсата пара, поступающего из турбины. Одновременно конденсатор является частью системы котельной установки станции. Вакуум в конденсаторе создается при помощи конденсации отработавшего в турбине пара, в результате резкого уменьшения удельного объема при превращении пара в конденсат и отсоса неконденсирующихся газов из конденсатора.
В современных мощных паротурбинных установках применяются почти исключительно конденсаторы поверхностного типа , в которых охлаждающая вода прокачивается внутри труб трубных пучков, расположенных в паровом пространстве конденсаторов. Пар, поступающий из турбины, соприкасается с холодной поверхностью труб и конденсируется на них, отдавая теплоту парообразования протекающей внутри труб охлаждающей воде. Конденсат стекает в нижнюю часть конденсатора и откачивается из конденсатосборника конденсатными насосами. Воздух и неконденсирующиеся газы, проникающие через неплотности установки, удаляются из конденсатора эжекторами . Конденсат пара используется для питания котлов и представляет большую ценность, т.к. подвергается высокой степени очистки. Конденсатор не должен допускать переохлаждения конденсата и должен иметь минимальное сопротивление по охлаждающей воде. Теоретически возможный вакуум в конденсаторе зависит только от температуры и располагаемого количества охлаждающей воды. Практический вакуум в эксплуатации зависит от совершенства конструкции конденсатора, вакуумной плотности части турбоустановки, находящейся под вакуумом и чистоты трубок конденсатора.

Конструкция конденсаторов , для турбин различной мощности от 25 до 1200 МВт, определяется расположением в установке и конструкцией фундамента, например, если поверхность теплопередачи конденсатора достигает 8800 м2 и содержит до 84000 трубок, то масса такого конденсатора достигает 2000 т.
Все конденсаторы представляют собой сложную пространственную конструкцию, находящуюся под глубоким вакуумом. Корпуса конденсаторов выполняются из листовой углеродистой стали и имеют внутреннее оребрение, а также усилены продольными и поперечными связями из круглой стали. Охлаждающие трубки концами закрепляются в основных трубных досках и имеют опоры в промежуточных трубных перегородках. Расстановка перегородок в корпусе выполняется по расчету на вибрацию, чтобы исключить опасные формы колебаний трубок. Водяные камеры, как правило, привариваются и имеют открывающие крышки для замены трубок. Для доступа внутрь водяных камер для мелких работ крышки имеют люки. В верхней части конденсатор могут быть встроены один или два регенеративных подогревателя низкого давления . Конденсаторы имеют, как правило, целый ряд приспособлений для приема пара и воды из различного оборудования турбоустановки, необходимых для осуществления цикла.

ЗАО «Опытное машиностроительное производство» предлагает своим клиентам не просто изготовление технологического оборудования, не только услуги собственной производственной базы, но и многолетний опыт, проверенные производственные технологии и готовность квалифицированного персонала решать именно Ваши задачи.

Теплообменником называется устройство, в котором производится передача тепла между теплоносителями.

Принцип действия

Кожухотрубные теплообменники относятся к типу рекуперативных, где среды разделены стенками. Работа их заключается в процессах теплообмена между жидкостями. При этом может происходить изменение их агрегатного состояния. Теплообмен также может производиться между жидкостью и паром или газом.

Преимущества и недостатки

Кожухотрубные теплообменники распространены, благодаря следующим положительным качествам:

• стойкость к механическим воздействиям и гидроударам;
• невысокие требования к чистоте сред;
• высокая надежность и долговечность;
• широкий модельный ряд;
• возможность применения с разными средами.

К недостаткам данного типа моделей относятся:

• малая величина коэффициента теплопередачи;
• значительные габариты и высокая металлоемкость;
• высокая цена из-за повышенной металлоемкости;
• необходимость применения устройств с большим запасом в связи с заглушкой поврежденных трубок при ремонтах;
• колебания уровня конденсата нелинейно изменяет теплообмен в устройствах горизонтального исполнения.

Кожухотрубные теплообменники обладают низким коэффициентом теплопередачи. Отчасти это связано с тем, что пространство корпуса в 2 раза больше общего поперечного сечения трубок. Применение направляющих перегородок дает возможность повысить скорость жидкости и улучшить теплообмен.

В межтрубном пространстве проходит теплоноситель, а по трубкам подается нагреваемая среда. Аналогичным образом она может также охлаждаться. Эффективность теплообмена обеспечивается за счет увеличения числа трубок или созданием поперечного тока внешнего теплоносителя.

Компенсация температурных удлинений

Температура теплоносителей разная и в результате происходит тепловая деформация элементов конструкции. Кожухотрубный теплообменник выполняется с компенсацией удлинения или без нее. Жесткое крепление трубок допускается при разности температуры между ним и корпусом до 25-30 0 С. Если она превышает эти пределы, применяются следующие температурные компенсаторы.

1. "Плавающая" головка - одна из решеток не имеет соединение с кожухом и свободно перемещается в осевом направлении при удлинении трубок. Конструкция является наиболее надежной.
2. На корпусе выполнен линзовый компенсатор в виде гофра, который может расширяться или сжиматься.
3. Сальниковый компенсатор установлен на верхнем днище, который имеет возможность перемещаться вместе с решеткой при температурном расширении.
4. U-образные трубы свободно удлиняются в среде теплоносителя. Недостатком является сложность изготовления.

Типы кожухотрубных теплообменников

Конструктивное исполнение аппаратов отличается простотой, на них всегда есть спрос. Цилиндрическим корпусом служит стальной кожух большого диаметра. На его кромках выполнены фланцы, на которых установлены крышки. В трубных досках внутри корпуса закреплены сваркой или развальцовкой трубные пучки.

Материалом для трубок служит сталь, медь, латунь, титан. Стальные доски крепят между фланцами или приваривают к кожуху. Между ними и корпусом внутри образуются камеры, через которые проходят теплоносители. Также там имеются перегородки, изменяющие движение жидкостей, проходящие через кожухотрубные теплообменники. Конструкция позволяет изменить скорость и направление потока, проходящего между трубками, тем самым увеличив интенсивность теплообмена.

Устройства могут располагаться в пространстве вертикально, горизонтально или с наклоном.

Разные типы кожухотрубных теплообменников отличаются расположением перегородок и устройством компенсаторов температурных удлинений. При малом числе трубок в пучке кожух имеет небольшой диаметр, и поверхности теплообмена получаются небольшими. Для их увеличения теплообменники последовательно соединяются в секции. Самой простой является конструкция "труба в трубе", которую часто изготавливают самостоятельно. Для этого необходимо правильно подобрать диаметры внутренней и наружной трубы и скорость потоков теплоносителей. Удобство чистки и ремонта обеспечивается за счет колен, которыми соединяются соседние секции. Эту конструкцию часто используют как пароводяные кожухотрубные теплообменники.

Спиральные теплообменные аппараты представляют собой каналы, выполненные прямоугольной формы и сваренные из листов, по которым перемещаются теплоносители. Достоинством является большая поверхность контакта с жидкостями, а недостатком - низкое допускаемое давление.

Новые конструкции теплообменников

В наше время начинает развиваться производство компактных теплообменников с рельефными поверхностями и интенсивным движением жидкостей. В результате их технические характеристики приближаются к пластинчатым аппаратам. Но производство последних также развивается, и догнать их сложно. Замена кожухотрубных теплообменников на пластинчатые целесообразна, благодаря следующим преимуществам:

К недостатку относится быстрая загрязненность пластин из-за малой величины зазоров между ними. Если хорошо фильтровать теплоносители, теплообменный аппарат будет работать долго. Мелкие частицы не удерживаются на полированных пластинах, а турбулизация жидкостей также предупреждает осаждение загрязнений.

Повышение интенсивности теплообмена аппаратов

Специалисты постоянно создают новые кожухотрубные теплообменники. Технические характеристики улучшаются за счет применения следующих способов:

Турбулизация потоков жидкостей значительно уменьшает солеотложение на стенках труб. За счет этого не требуются мероприятия по их очистке, которые необходимы для гладких поверхностей.

Производство кожухотрубных теплообменников с внедрением новых методов позволяет повысить в 2-3 раза эффективность теплоотдачи.

Учитывая дополнительные энергозатраты и стоимость, производственники чаще стараются заменить теплообменник на пластинчатый. По сравнению с обычными кожухотрубными они лучше по теплопередаче на 20-30 %. Это больше связано с освоением производства новой техники, которое пока идет со сложностями.

Эксплуатация теплообменников

Аппараты нуждаются в периодическом осмотре и контроле за работой. Параметры, например, температура, измеряются по их значениям на входе и выходе. Если эффективность работы снизилась, нужно проверить состояние поверхностей. Особенно влияют солевые отложения на термодинамические параметры теплообменников, где малая величина зазоров. Очистка поверхностей производится химическим способом, а также за счет применения ультразвуковых колебаний и турбулизации потоков теплоносителей.

Ремонт кожухотрубных аппаратов в основном заключается в запаивании прохудившихся трубок, что ухудшает их технические характеристики.

Заключение

Оптимальные кожухотрубные теплообменники конкурируют с пластинчатыми и могут применяться во многих областях техники. Новые конструкции имеют значительно меньшие габариты и металлоемкость, что позволяет снизить рабочие площади и уменьшить затраты на создание и эксплуатацию.

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 %.

Проще всего понять, как работает теплообменник кожухотрубного типа, можно, изучив его принципиальную схему:

Рисунок 1. Принцип работы кожухотрубного теплообменника. Однако, данная схема иллюстрирует лишь уже сказанное: два раздельных, не смешивающихся теплообменных потока, проходящих внутри кожуха и сквозь трубный пучок. Куда нагляднее будет, если схему сделать анимированной.

Рисунок 2. Анимация работы кожухотрубчатого теплообменника. Данная иллюстрация демонстрирует не только принцип работы и устройство теплообменного аппарата, но и то, как выглядит теплообменник снаружи и внутри. Он состоит из цилиндрического кожуха с двумя штуцерами, в нём и двух распределительных камер по обе стороны кожуха.

Трубы собраны вместе и удерживаются внутри кожуха посредством двух трубных решёток – цельнометаллических дисков с просверленными в них отверстиями; трубные решётки отделяют распределительные камеры от корпуса теплообменника. Трубы на трубной решётке могут крепиться методами сварки, развальцовки или сочетанием этих двух методов.

Рисунок 3. Трубная решётка с развальцованными трубами пучка. Первый теплоноситель попадает сразу в кожух через впускной штуцер и покидает его через штуцер выпуска. Второй теплоноситель вначале подаётся в распределительную камеру, откуда направляется в трубный пучок. Попадая во вторую распределительную камеру, поток «разворачивается» и вновь проходит сквозь трубы к первой распределительной камере, откуда выходит через собственный выпускной штуцер. При этом, обратный поток направляется через другую часть трубного пучка, чтобы не препятствовать прохождению «прямого» потока.

Технические нюансы

1. Следует подчеркнуть, что на схемах 1 и 2 представлена работа двухходового теплообменника (теплоноситель проходит по пучку труб в два хода – прямым и обратным потоком). Таким образом, достигается улучшенная теплоотдача при той же длине труб и корпуса обменника; правда, при этом увеличивается его диаметр за счёт увеличения количества труб в трубном пучке. Есть более простые модели, у которых теплоноситель проходит сквозь трубный пучок лишь в одном направлении:

Рисунок 4. Принципиальная схема одноходового теплообменника. Кроме одно- и двухходовых теплообменников, существуют также четырёх- шести- и восьмиходовые, которые используются в зависимости от специфики конкретных задач.

2. На анимированной схеме 2 представлена работа теплообменника с установленными внутри кожуха перегородками, направляющими поток теплоносителя по зигзагообразной траектории. Таким образом, обеспечивается перекрёстный ход теплоносителей, при котором «внешний» теплоноситель омывает трубы пучка перпендикулярно их направленности, что также повышает теплоотдачу. Существуют модели с более простой конструкцией, у которых теплоноситель проходит в кожухе параллельно трубам (см. схемы 1 и 4).

3. Поскольку коэффициент теплопередачи зависит не только от траектории потоков рабочих сред, но и от площади их взаимодействия (в данном случае – от совокупной площади всех труб трубного пучка), а также от скоростей теплоносителей, можно увеличить теплоотдачу за счёт применения труб со специальными устройствами – турбулизаторами.

Рисунок 5. Трубы для кожухотрубчатого теплообменника с волнообразной накаткой. Применение таких труб с турбулизаторами в сравнении с традиционными цилиндрическими трубами позволяет увеличить тепловую мощность агрегата на 15 – 25 процентов; кроме того, за счёт возникновения в них вихревых процессов, происходит самоочистка внутренней поверхности труб от минеральных отложений.

Следует заметить, что характеристики теплоотдачи в значительно мере зависит от материала труб, который должен обладать хорошей теплопроводностью, способностью выдерживать высокое давление рабочей среды и быть коррозионно стойким. По совокупности этих требований для пресной воды, пара и масла наилучшим выбором являются современные марки высококачественной нержавеющей стали; для морской или хлорированной воды – латунь, медь, мельхиор и т.д.

Производит стандартные и модернизированные кожухотрубные теплообменники по современным технологиям для новых устанавливаемых линий, а также выпускает агрегаты, предназначенные для замены выработавших свой ресурс теплообменников. и его изготовление производятся по индивидуальным заказам, с учётом всех параметров и требований конкретной технологической ситуации.