Кожухотрубный теплообменник: основные плюсы и минусы. Кожухотрубный теплообменник: технические характеристики и принцип работы

Классификация. Теплообменными аппаратами(теплообменниками) называются устройства, предназна­ченные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние принято называть теплоносителями.

Необходимость передачи теплоты от одного теплоносителя к другому возникает во многих отраслях техники: энергетике, химической, металлургической, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности.

В котельном агрегате теплота, выделяющаяся при горении топлива, передается воде и пару, т. е. котельный агрегат представляет собой совокупность теплообменных аппаратов. В атомной силовой установке выделяемая ядерным реактором теплота воспринимается первичным теплоносителем, который сам становится радио­активным. В двигателе используется вторичный теплоноситель, ко­торый получает тепло от первичного в теплообменном аппарате. Процесс регенерации в газотурбинной установке осуществляется путем передачи теплоты в теплообменнике от отработанных про­дуктов сгорания сжатому воздуху.

Широкое распространение теплообменных аппаратов обусло­вило многообразие их конструктивного оформления.

Тепловые процессы, происходящие в теплообменных аппара­тах, могут быть самыми разнообразными: нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, плавление, затвердевание и более сложные процессы, являющиеся комбинацией перечислен­ных. В процессе теплообмена может участвовать несколько тепло­носителей: теплота от одного из них может передаваться несколь­ким и от нескольких - одному.

Теплообменные аппараты классифицируются следующим об­разом:

по назначению - подогреватели, конденсаторы, охладители, испарители, паропреобразователи и т.п.;

принципу действия - рекуперативные, регенеративные и сме­шивающие.

Рекуперативными называются такие теплообменные аппараты, в которых теплообмен между теплоносителями происхо­дит через разделительную стенку. При теплообмене в аппаратах такого типа тепловой поток в каждой точке поверхности раздели­тельной стенки сохраняет постоянное направление.

Температура нагрева теплоносителя составляет 400... 500°С для конструкций из углеродистой стали и 700...800°С для конструк­ций из легированных сталей.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационар­ный характер. На рис. 4.1 показан пример рекуперативного тепло­обменника, в котором один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.

Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителям, называется рабочей поверхностью теплообменника.

Регенеративными называются такие теплообменные, аппараты, в которых два или большее число теплоносителей попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева.

Во время соприкосновения с разными теплоносителями поверх­ность нагрева или получает теплоту и аккумулирует ее, а затем отдает, или, наоборот, сначала отдает аккумулированную тепло­ту и охлаждается, а затем нагревается. В разные периоды времени теплообмена (нагрев или охлаждение поверхности нагрева) на­правление теплового потока в каждой точке поверхности нагрева изменяется на противоположное.

В качестве примера на рис. 4.2 представлена схема регенератив­ного воздухоподогревателя котельного агрегата с медленно враща­ющимся (2...5 об/мин) ротором - аккумулятором теплоты. Ротор имеет набивку из тонких гофрированных стальных листов (см. рис. 4.2, б), заключенных в закрытый кожух 3. К кожуху присоединя­ются воздушный и газовый короба. Во время работы теплообмен-

Одним из оригинальных уст­ройств, использующих в каче­стве промежуточного теплоноси­теля пар и его конденсат, явля­ется герметичная труба, заполненная частично жидкостью, а частично паром (рис. 4.3). Такое устройство, называемое тепловой трубой , способно пере­давать большие тепловые мощности. На горячем конце тепловой трубы за счет подвода теплоты испаряется жидкость, а на холод­ном - конденсируется пар, отдавая выделившуюся теплоту. Кон­денсат возвращается в зону испарения либо самотеком, если хо­лодный конец можно разместить выше горячего, либо за счет ис­пользования специальных фитилей, по которым жидкость дви­жется под действием капиллярных сил в любом направлении, даже против сил тяжести (как спирт в спиртовке).

Тепловые трубы с самотечным возвратом конденсата извест­ны давно. Широкое распространение тепловых труб с фитилями началось недавно в связи с необходимостью отвода больших теп­ловых потоков от мощных, но малогабаритных полупроводни­ковых устройств. Практически незаменимы тепловые трубы с фитилями в космосе. Для охлаждения механических, электри­ческих или радиотехнических устройств в земных условиях широко используется есте­ственная конвекция. В космосе естественной конвекции не может быть, поскольку отсут­ствует сила тяжести и нужны иные способы отвода теплоты. Тепловые трубы с фитилями могут работать и в невесомости. Они малогабаритны, не требу­ют затрат энергии на перекач­ку теплоносителей и при соот­ветствующем подборе рабочего агента работают в широкой интервале температур.

Смешивающими называются такие теплообменные аппараты, в которых тепло- и массообмен происходят при непосредственном контакте и смешивании теплоносителей. Поэтому смешивающие теплообменники иногда называют контактными. Наиболее важным фактором в рабочем процессе смешива­ющего теплообменного аппарата является поверхность соприкос­новения теплоносителей. В качестве примера на рис. 4.4 показана схема смешивающего теплообменника (деаэратора) для подо­грева воды паром при термическом удалении растворенных га­зов (воздуха).

Основные теплоносители. В качестве теплоносителей в зависи­мости от назначения производственных процессов могут приме­няться самые разнообразные газообразные, жидкие и твердые ве­щества.

С точки зрения технической и экономической целесообразнос­ти их применения теплоносители должны обладать следующими качествами.

Иметь достаточно большую теплоту парообразования, плот­ность и теплоемкость, малую вязкость. При таких характеристиках теплоносителей обеспечивается достаточная интенсивность теп­лообмена и уменьшаются их массовые и объемные количества, необходимые для заданной тепловой нагрузки теплообменного аппарата.

Иметь необходимую термостойкость и не оказывать небла­гоприятное воздействие на материалы аппаратуры. Теплоносите­ли должны быть химически стойкими и неагрессивными даже при достаточно длительном воздействии высоких температур. Жела­тельно, чтобы теплоносители не давали в процессе работы отло­жений на поверхность теплообмена, так как отложения понижа­ют коэффициент теплопередачи и теплопроизводительность обо­рудования.

Быть недорогими и достаточно доступными в отечественных ресурсах.

При выборе теплоносителей необходимо в каждом отдельном случае детально учитывать их термодинамические и физико-хи­мические свойства, а также технико-экономические показатели.

В производственных аппаратах и системах отопления и горяче­го водоснабжения наиболее широкое распространение получили следующие теплоносители.

Водяной пар как греющий теплоноситель получил боль­шое распространение благодаря следующим своим достоинствам.

1- Высокие коэффициенты теплоотдачи при конденсации во­дяного пара позволяют получать относительно небольшие поверх­ности теплообмена.

2. Большое изменение энтальпии при конденсации водяного пара позволяет расходовать малое массовое количество его для передачи сравнительно больших количеств теплоты.

3. Постоянная температура конденсации при заданном давлении дает возможность наиболее просто поддерживать постоянные режим и регулировать процесс в аппаратах.

Наиболее часто употребляемое давление греющего пара в теплообменниках составляет от 0,2 до 1,2 МПа.

Горячая вода получила большое распространение в качестве греющего теплоносителя, особенно в отопительных и вентиляционных установках. Подогрев воды осуществляется в специ­альных водогрейных котлах, производственных технологических агрегатах (например в печах) или водонагревательных установках ТЭЦ и котельных. Горячую воду как теплоноситель можно транс­портировать по трубопроводам на значительные расстояния (на несколько километров). При этом понижение температуры воды в хорошо изолированных трубопроводах составляет не более 1°С на 1 км. Достоинством воды как теплоносителя является сравнитель­но высокий коэффициент теплоотдачи. Как правило, в системах производственного и коммунального отопления используется го­рячая вода с температурой 70... 150 (200) "С.

Дымовые и топочные газы как греющая среда при­меняются обычно на месте их получения для непосредственного обогрева промышленных изделий и материалов, если физико-химические характеристики последних не изменяются при за­грязнении сажей и золой. Если по условиям эксплуатации загряз­нение обрабатываемого материала недопустимо, дымовые газы направляются в рекуперативный теплообменник, где отдают свою теплоту воздуху, а последний нагревает обрабатываемый мате­риал.

Достоинством топочных газов является возможность нагрева ими материала до весьма высоких температур, которые требуются иногда по технологическим условиям производства.

Однако дымовые и топочные газы как греющая среда имеют ряд недостатков.

Малая плотность газов влечет за собой необходимость получения больших объемов для обеспечения достаточной теплопроизводительности, а последнее приводит к созданию громоздких трубопроводов.

Вследствие малой удельной теплоемкости газов их необходи­мо подавать в аппараты в большом количестве с высокой темпе­ратурой. Последнее обстоятельство вынуждает применять огнеупор­ные материалы для трубопроводов.

Из-за низкого коэффициента теплоотдачи со стороны газов теплоиспользующая аппаратура должна иметь большие поверхно­сти нагрева и поэтому получается весьма громоздкой.

Высокотемпературные теплоносители. В настоящее время в промышленности для высокотемпературного обогрева, кроме дымовых газов, применяют минеральные масла, органичческие соединения, расплавленные металлы и соли. Характерис­тика некоторых высокотемпературных теплоносителей приведена втабл. 4.1.

Низкотемпературные теплоносители представля­ют собой вещества, кипящие при температурах ниже 0 "С. Типич­ными представителями их являются: аммиак NH 3 , диоксид углерода СО 2 , сернистый ангидрид SО 2 и большой ряд галоидных про­изводных насыщенных углеводородов, применяющихся в каче­стве хладоагентов в холодильной технике.

Главной целью теплообменника является передача тепла от носителя (вещества с высоким показателем температуры) до холодного объекта. Примером теплоносителя может являться газ, жидкость и пар. Сегодня на прилавках магазинах можно наблюдать большое разнообразие теплообменников. Каждый из них имеет свои особенности: принцип действия, внешний вид, разные показатели температуры и т. д. Кожухотрубные теплообменники, принцип работы которых отличается от пластинчатых приборов, имеют совершенно иные параметры, чем аналог, но другого вида. Для того чтобы сделать правильный выбор, необходимо изучить подробности агрегатов и понять их характеристики.

Принцип работы теплообменника

Современный теплообменник может работать по трём основным процессам:

• конвекция;
• тепловое излучение;
• теплопроводность.

Классификация приборов происходит по тому, каким из способов тепло поставляется к холодному объекту, а именно:

• смесительный способ;
• теплообменный способ.

В их принципе работы, устройстве и виде заключается основная разница. Именно потому важно, прежде чем совершить покупку теплообменника, изучить все имеющиеся виды в продаже. Лучшим вариантом описания принципа действия изделия является пример с поверхностными агрегатами. Они считаются одними из самых распространённых конструкций среди пользователей. Внутри этого прибора сосредоточены чувствительные элементы , которые нагреваются, передавая тепло холодному объекту.

Если взять смесительный агрегат, то он совмещает в себе взаимодействие воздуха и жидкости, выдавая в итоговом результате высокий уровень коэффициента полезного действия. Тем самым - это устройство становится лёгким по изготовлению, с высокой скоростью получения нужного результата. Только при смешивании двух различных сред можно достичь подобных результатов.

Каждый теплообменник имеет и набор устройств, которые работают по особому принципу. Их разделяют на два вида:

• рекуперативные;
• регенеративные.

В первом виде подразумевается использование двух разных жидкостей. Они взаимодействуют между собой с помощью разделительной стенки. В процессе обмена температурами, поток в обоих вариантах остаётся прежним и не изменяется. Во втором виде теплообменников прослеживается наличие рабочего элемента , который в то же время является и источником поставляемого тепла и своеобразным зарядным устройством. При контакте с жидкостями, элемент нагревается, издавая в пространство необходимое тепло. В этом случае, поток тепла может изменить своё направление.

Виды теплообменников

На сегодняшний день имеется несколько видов теплообменников:

• погружные;
• пластинчатые;
• элементные;
• витые;
• графитовые;
• спиральные;
• двухтрубные;
• кожухотрубные.

Погружной теплообменник

В качестве чувствительного элемента в этом приборе выступает цилиндрической формы змеевик. Он размещён в сосуде, который заполнен жидкостью. Подобная конструкция существенно снижает время необходимое на отдачу тепла прибором. Такого вида устройство считается одним из лучших по эффективным показателям работы прибором. Применяется исключительно в местах, где дозволено механическое включение и стадия закипания.

Пластинчатый теплообменник

Достоинства этого прибора можно перечислять долгое время. Это и лёгкость сборки, и простота чистки, и минимальное сопротивление гидравлики. Состав этого вида приборов подразумевает соединение крепёжных болтов, концевых камер, рамы и рабочей пластины. Последние элементы разделены специальными резиновыми прокладками. Их изготавливают из специальной стали. Технология монтажа пластин подразумевает установку резиновой прокладки без использования клеевых смесей , тем не менее позволяющая плотно прилегать отдельным частям друг к другу. Схема подачи рабочей среды может иметь три варианта: прямоточную, смешанную и противоточную.

Элементный теплообменник

Особенностью строения этого прибора является соединение частей единую систему. Если рассматривать принцип их работы, то он во многом схож с работой кожухотрубных теплообменников . Схема подачи рабочей среды работает только противоточно. Этот агрегат сочетает в себе небольшое количество труб.

Витой теплообменник

Чувствительный элемент этого прибора имеет название концентрического змеевика. Они закрепляются на специальных головках, получая защиту от кожуха. Используется схема с двумя жидкостями, один вид которой заполняет имеющиеся трубки, а другой располагается в пространстве между ними. Считается, что этот вид агрегата прекрасно переносит различные перепады давления и обладает высоким показателем стойкости к износу.

Графитовый теплообменник

Его устройство позволяет защитить конструкцию от воздействия коррозии. Также этот прибор отлично проводит тепло. Состоит агрегат из блоков, имеющих форму прямоугольника и цилиндра. Движение рабочей жидкости осуществляется по перекрёстной схеме. В составе теплообменника можно увидеть металлический корпус, трубки, решётки и крышки.

Спиральный теплообменник

Принцип работы этого прибора заключается в использовании металлических листов. Их скручивают в спираль и закрепляют на особом механизме под названием крен. Для полноценной работы необходимо обеспечить герметизацию теплообменника. Её достигают при помощи сваривания отдельных её частей или укладкой прокладки. Такие приборы довольно сложно создавать, обслуживать и ремонтировать. Запрещается использовать устройство в системе с давлением выше 10 кгс/см 2 . Эти недостатки успешно заменяет небольшой вес и размер прибора, а также его высокий показатель эффективности.

Двухтрубный теплообменник

Главными основными частями этих приборов являются трубы разного диаметра. В качестве рабочей среды используется жидкость и газ. Теплообменник используется в местах, где существуют большие перепады давления, успешно преодолевая эти трудности. Дополнением к положительным качествам прибора становится высокий уровень передачи тепла , а также простота обслуживания и монтирования. К сожалению, такие приборы дорого оцениваются продавцами.

Кожухотрубный теплообменник

Кожухотрубный прибор состоит из нескольких частей: элементов, компенсирующих напряжение, пучков труб, патрубков, корпуса, крышки и трубных решёток. Особенностью кожухотрубного устройства считается изготовления их наклонными или горизонтальными/вертикальными.

Принцип работы на примере пластинчатого теплообменника

Этот теплообменник был выбран непросто. Он отличается довольно сложным принципом действия , а потому идеально освещает некоторые общие особенности каждого вида агрегата. Каждая из пластин устройства монтируется к другой части с поворотом равным 180 градусов. В стандартном составе прибора можно встретить до четырёх подобных элементов. В комплекте они создают пакеты, которые отвечают за коллекторный контур. Сам же контур функционирует для создания движения теплоносителя. Конструкция теплообменника подразумевает наличие двух крайних контуров. Именно они не участвуют в процессе создания тепла механизмом.

На сегодняшний день производители техники предлагают пользователю получить два различных вида комплектации.

1. Одноходовой. Теплоноситель разделяется и создаёт параллельные потоки. Практически сразу же они стекают в выводной порт.
2. Многоходовой. Этот вариант подразумевает использование сложной схемы. Теплообменник начинает своё движение по одинаковому количеству задействованных каналов. Такой принцип работы подразумевает наличие дополнительных элементов (пластин), которые заканчиваются заглушками в отводных портах. Эта особенность добавляет сложности в обслуживание подобных элементов.

Теплообменники имеют сложную структуру, хотя в большинстве случаев советы по их использованию сводятся к одинаковым фразам. Конечно же, конструкция каждого из них уникальна, а потому примером выступает кожухотрубный теплообменник.

Вся сложность заключена в единственном правиле – как и любой прибор на планете, устройство теплообменника требует ремонта. Каждая процедура ремонта влечёт ряд второстепенных проблем, который специалисты стараются решить подручными средствами и способами. В этом механизме, как и в большинстве видов, присутствуют разные трубки. Именно они и являются самой частой причиной поломок. При проведении даже диагностики исправности этих элементов конструкции, следует чётко понимать – малейшее неверное действие и прибор может снизить уровень работы.

Все чаще встречаются люди и организации, которые покупают несколько теплообменников сразу. Эта особенность позволяет сразу же заменить повреждённое устройство новым.

Некоторые нюансы могут возникнуть и при регулировке агрегатов. Если неправильно ввести значения, то площадь работы теплообменника резко снизится. В этом случае происходит нелинейное изменение рабочей площади.

Главным советом специалистов становится отказ от самостоятельных действий по созданию любого вида теплообменника. Процесс рассчитан исключительно на производственный монтаж , а потому в домашних условиях его повторить невозможно.

Существует большое количество теплообменников. Одни из них дешевле, другие надёжнее, а третьи выдают лучший результат работы. Выбрать прибор сложно, но, возможно, зная основные их характеристики. Не стоит забывать и о правилах использования устройств, будь это кожухотрубные или пластинчатые изделия. Каждый вид работает исключительно с чёткими параметрами давления и условиями окружающей среды. Не стоит забывать и о советах специалистов, работающих с механизмами не первый год и знающих их особенности.

Кожухотрубный теплообменник: технические характеристики и принцип работы

Сейчас мы с вами рассмотрим технические характеристики и принцип работы кожухотрубных теплообенников, а так же расчёт их параметров и особенности выбора при покупке.

Теплообменники обеспечивают процесс обмена теплом между жидкостями, каждая из которых имеет разную температуру. В настоящее время кожухотрубный теплообменник с большим успехом нашел свое применение в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, газовой. При их изготовлении не возникает сложностей, они надежны и имеют возможность развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате.

Получили такое название благодаря наличию кожуха, скрывающего внутренние трубы.

Устройство и принцип действия

Строение: конструкция из пучков труб, закрепленных в трубных досках (решетках) крышек, кожухов и опор.

Принцип, по которому осуществляет свою деятельность кожухотрубчатый теплообменник довольно прост. Он заключается в движении холодного и горячего теплоносителей по разным каналам. Теплообмен происходит именно между стенками этих каналов.

Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника

Преимущества и недостатки

Сегодня кожухотрубные теплообменники пользуются спросом у потребителей и не теряют своих позиций на рынке. Это обусловлено немалым количеством достоинств, которыми обладают эти устройства:

1. Высокая стойкость к . Это помогает им легко переносить перепады давления и выдерживать серьезные нагрузки.
2. Не нуждаются в чистой среде. Это значит, что они могут работать с некачественной жидкостью, не прошедшей предварительной очистки, в отличие от множества других видов теплообменников, которые способны работать исключительно в не загрязненных средах.
3. Высокая эффективность.
4. Износостойкость.
5. Долговечность. При должном уходе кожухотрубчатые агрегаты будут работать на протяжении многих лет.
6. Безопасность использования.
7. Ремонтопригодность.
8. Работа в агрессивной среде.

Учитывая вышеизложенные преимущества, можно утверждать об их надежности, высокой эффективности и долговечности.

Кожухотрубные теплообменники в промышленности

Несмотря на большое количество отмеченных преимуществ кожухотрубных теплообменников, данные устройства имеют и ряд недостатков:

• габаритность и значительный вес: для их размещения необходимо помещение значительных размеров, что не всегда является возможным;
• высокая металлоемкость : это является основной причиной их высокой цены.

Виды и типы кожухотрубных теплообменников

Классифицируются кожухотрубные теплообменники в зависимости от того, в каком направлении двигается теплоноситель .

Выделяют следующие виды по этому критерию:

• прямоточный;
• противоточный;
• перекресточный.

Количество трубок, находящихся в сердце кожуха, напрямую влияет на то, с какой скоростью будет двигаться вещество, а скорость оказывает непосредственное влияние на коэффициент теплопередачи .

Учитывая данные характеристики, кожухотрубные теплообменники бывают следующих типов:

• c температурным кожуховым компенсатором;
• c неподвижными трубками;
• c плавающей головкой;
• c U-образными трубками.

Модель с U-образными трубками состоит из одной трубной решетки, в которую и вварены данные элементы. Это позволяет округленной части трубки беспрепятственно опираться на поворотные щитки в корпусе, при этом они имеют возможность линейно расширяться, что позволяет их использовать в больших диапазонах температур. Для чистки U-трубок требуется вынимать всю секцию с ними и использовать специальные химические средства.

Расчет параметров

Долгое время кожухотрубные теплообменники считались самыми компактными среди существующих. Однако появились , которые в три раза компактнее кожухотрубных. К тому же, особенности конструкции подобного теплообменника приводят к возникновению температурных напряжений из-за различия температур между трубами и кожухом. Поэтому при выборе подобного агрегата очень важно сделать его грамотный расчет.

Формула расчёта площади кожухотрубчатого теплообменника

F — площадь поверхности теплообмена;
t ср – средняя разность температур между теплоносителями ;
К – коэффициент теплопередачи;
Q — количество теплоты.

Для проведения теплового расчета кожухотрубного теплообменника необходимы следующие показатели:

• максимальный расход греющей воды;
• физические характеристики теплоносителя : вязкость, плотность, теплопроводность, конечная температура, теплоемкость воды при средней температуре.

При осуществлении заказа кожухотрубчатого теплообменника важно знать, какими техническими характеристиками он обладает:

• давление в трубах и кожухе;
• диаметр кожуха;
• исполнение (горизонтальное\вертикальное);
• тип трубных решеток (подвижные\неподвижные);
• климатическое исполнение.

Самостоятельно сделать грамотный расчет достаточно сложно. Для этого необходимы знания и глубокое понимание всей сути процесса его работы, поэтому лучшим способом станет обращение к специалистам.

Эксплуатация трубчатого теплообменника

Кожухотрубный теплообменник является устройством, которое характеризуется высокой продолжительностью срока службы и хорошими параметрами эксплуатации. Однако, как и любому другому устройству, для качественной и долговременной работы ему необходимо плановое обслуживание. Поскольку в большинстве случаев кожухотрубные теплообменники работают с жидкостью, которая не прошла предварительную очистку, трубки агрегата рано или поздно засоряются и на них образуется осадок и создается препятствие для свободного протекания рабочей жидкости.

Чтобы эффективность работы оборудования не снижалась и не произошла поломка кожухотрубного агрегата, следует систематически проводить его чистку и промывку.

Благодаря этому он сможет осуществлять качественную работу на протяжении длительного времени. По истечению срока действия прибора, рекомендуется осуществить замену его на новый.

Если возникла потребность в ремонте трубчатого теплообменника, то первоначально необходимо произвести диагностику устройства. Это позволит выявить основные проблемы и определит объем предстоящей работы. Самая слабая его часть — это трубки, и, чаще всего, основным поводом ремонта является повреждение трубчатки.

Для диагностики кожухотрубного теплообменника используется метод гидравлических испытаний.

В сложившейся ситуации необходимо произвести замену трубок, а это трудоемкий процесс. Необходимо заглушить вышедшие из строя элементы, в свою очередь это сокращает площадь теплообменной поверхности. Осуществляя ремонтные работы, обязательно нужно учитывать тот факт, что любое, даже малейшее вмешательство, может стать причиной уменьшения теплообмена.

Теперь вы знаете, как устроен кожухотрубный теплообменник, какие есть у него разновидности и особенности.

Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. По ГОСТ 9929 стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: ТН - с неподвижными трубными решетками; ТК - с температурным компенсатором на кожухе; ТП - с плавающей головкой; ТУ - с U-образными трубами; ТПК - с плавающей головкой и компенсатором на ней (рис. 2.19).

В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно- и многоходовыми.

Кожухотрубчатый аппарат с неподвижной трубной решеткой (типа ТН) представлен на рис. 2.20. Такие аппараты имеют цилиндрический кожух 1 , в котором расположен трубный пучок2 ; трубные решетки3 с развальцованными трубками крепятся к корпусу аппарата. С обоих концов теплообменный аппарат закрыт крышками4 . Аппарат оборудован штуцерами5 для теплообменивающихся сред; одна среда идет по трубкам, другая проходит через межтрубное пространство.

Теплообменники этой группы изготовляют на условное давление 0,6…4,0 МПа, диаметром 159…1200 мм, с поверхностью теплообмена до 960 м2; длина их до 10 м, масса до 20 т. Теплообменники этого типа применяют до температуры 350 °С.

Предусмотрены различные варианты материального исполнения конструктивных элементов теплообменных аппаратов. Корпус аппарата изготовляют из сталей ВСтЗсп, 16ГС или биметаллическим с защитным слоем из сталей 08X13, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т. Для трубного пучка применяют трубы из сталей 10, 20 и Х8 с размерами 25×2, 25×2,5 и 20×2 мм, из высоколегированных сталей 08X13, 08Х22Н6Т, 08Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т с размерами 25×1,8 и 20×1,6 мм, а также трубы из алюминиевых сплавов и латуни. Трубные решетки изготовляют из сталей 16ГС, 15Х5М, 12Х18Н10Т, а также биметаллическими с наплавкой высоколегированного хромоникелевого сплава или слоя латуни толщиной до 10 мм.

Рис. 2.20. Схема одноходового теплообменного аппарата типа ТН(вертикальное исполнение):

1 - кожух; 2 - трубки; 3 - трубная решетка; 4 - крышки; 5 - штуцера

Рисунок 2.19. Основные типы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов:

а) – с неподвижными решетками (ТН) или с компенсатором на кожухе (ТК); б) – с плавающей головкой; в) – с U-образными трубками

Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки с корпусом. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого

типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху в стальных приведены на рис. 2.21.

Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках размещают так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы (рис. 2.22а ) или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха (рис. 2.22б ).

Рис. 2.21. Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху аппарата

В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения больших коэффициентов теплоотдачи необходимы достаточно высокие скорости теплоносителей: для газов 8…30 м/с, для жидкостей не менее 1,5 м/с. Скорость теплоносителей обеспечивают при проектировании соответствующим подбором площади сечения трубного и межтрубного пространства.

Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то в результате теплового расчета определяют коэффициент теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной камере. Промышленностью выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые теплообменники жесткой конструкции.

Двухходовой горизонтальный теплообменник типа ТН (рис. 2.23) состоит из цилиндрического сварного кожуха 5 , распределительной камеры11 и двух крышек4 . Трубный пучок образован трубами7 , закрепленными в двух трубных решетках3 . Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера1 ,12 ) и межтрубного (штуцера2 ,10 ) пространств. Перегородка13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка14 , уложенная в паз решетки3 .

Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки6 , обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство предусмотрен отбойник9 - круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.

Достоинством аппаратов этого типа является простота конструкции и, следовательно, меньшая стоимость.

Однако им присущи два крупных недостатка. Во-первых, очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому теплообменники такого типа применяются в тех случаях, когда среда, проходящая через межтрубное пространство, является чистой, не агрессивной, т. е. когда нет необходимости в чистке.

Во-вторых, существенное различие между температурами трубок и кожуха в этих аппаратах приводит к большему удлинению трубок по сравнению с кожухом, что обусловливает возникновение температурных напряжений в трубной решетке 5 , нарушает плотность вальцовки труб в решетке и ведет к попаданию одной теплообменивающейся среды в другую. Поэтому теплообменники этого типа применяют при разнице температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство не более 50 °C и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Теплообменные аппараты с температурным компенсатором типа ТК (рис. 2.24) имеют неподвижные трубные решетки и снабжены специальными гибкими элементами для компенсации различия в удлинении кожуха и труб, возникающего вследствие различия их температур.

Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК отличается от теплообменника типа ТН наличием вваренного между двумя частями кожуха 1 линзового компенсатора2 и обтекателя3 (рис. 2.25). Обтекатель уменьшает гидравлическое сопротивление межтрубного пространства такого аппарата; обтекатель приваривают к кожуху со стороны входа теплоносителя в межтрубное пространство.

Наиболее часто в аппаратах типа ТК используют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы), изготовляемые обкаткой из коротких цилиндрических обечаек. Линзовый элемент, показанный на рисунке 2.25б , сварен из двух полулинз, полученных из листа штамповкой. Компенсирующая способность линзового компенсатора примерно пропорциональна числу линзовых элементов в нем, однако применять компенсаторы с числом линз более четырех не рекомендуется, так как резко снижается сопротивление кожуха изгибу. Для увеличения компенсирующей способности линзового компенсатора он может быть при сборке кожуха предварительно сжат (если предназначен для работы на растяжение) или растянут (при работе на сжатие).

При установке линзового компенсатора на горизонтальных аппаратах в нижней части каждой линзы сверлят дренажные отверстия с заглушками для слива воды после гидравлических испытаний аппарата.

Рис. 2.24. Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК

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.

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».