История кожухотрубных теплообменников

Впервые аппараты такого рода были разработаны в самом начале ХХ века, когда у тепловых станций возникла потребность в теплообменниках, обладающих большой поверхностью теплообмена, и способных работать при достаточно высоком давлении.

Сегодня кожухотрубные теплообменники используются в качестве подогревателей, конденсаторов и испарителей. Опыт многолетней эксплуатации, многочисленные конструкторские разработки привели к значительному усовершенствованию их конструкции.

Тогда же, в начале прошлого века, кожухотрубные теплообменники начали широко применять и в нефтяной промышленности. Тяжелые условия нефтепереработки требовали нагреватели и охладители нефтяной массы, конденсаторы и испарители для отдельных фракций сырой нефти и органических жидкостей.

Высокие температура и давление, при которых работала аппаратура, свойства самой нефти и ее фракций приводили к быстрому загрязнению отдельных частей аппаратов. В связи с этим теплообменники должны были обладать такими конструктивными особенностями, которые бы обеспечивали легкость их очистки и при необходимости - ремонта.

Варианты исполнения

Со временем кожухотрубные теплообменники получили широчайшее применение. Это определялось простотой и надежностью конструкции, а также большим числом возможных вариантов исполнения, подходящих для различных условий эксплуатации, в том числе:

вертикальное или горизонтальное исполнение теплообменника, кипение или конденсация, однофазные потоки теплоносителя на горячей или холодной стороне аппарата;

возможный рабочий диапазон давлений от вакуума до довольно высоких значений;

возможность изменения перепадов давления в широких пределах по обеим сторонам теплообменной поверхности как следствие большого числа вариантов конструкций.

возможность удовлетворения требований по термическим напряжениям, не повышая существенно стоимость аппарата;

размеры аппаратов - от маленьких до самых больших, до 6000 м²;

материалы могут быть подобраны в зависимости от требований к коррозии, давлению и температурному режиму, с учетом их соответствующей стоимости;

поверхности теплообмена могут быть использованы как внутри труб, так и снаружи;

возможность доступа к пучку труб для их ремонта или очистки.

Однако широкие области применения кожухотрубных теплообменников при подборе наиболее подходящих вариантов для каждого конкретного случая не должны исключать и поиск альтернативных вариантов.

Составные части

Составные части кожухотрубных теплообменников: пучки труб, укрепленные в трубных решетках, крышки, кожухи, патрубки, камеры и опоры. Трубное и межтрубное пространства в них чаще всего разделены перегородками.

Принципиальные схемы и типы

Принципиальные схемы наиболее широко распространенных типов кожухотрубных теплообменников представлены на рисунке:

Кожух теплообменника - это труба, сваренная из стальных листов. Различие кожухов состоит главным образом в способе соединения корпуса с трубной решеткой и с крышками. Толщину стенки кожуха выбирают в зависимости от рабочего давления среды и его диаметра, но в основном принимают не менее 4 мм. К кромкам кожуха посредством фланцев приваривают крышки или днища. Снаружи к кожуху крепятся опоры аппарата.

В кожухотрубных теплообменниках общее эффективное сечение межтрубного пространства обычно больше в 2-3 раза, чем соответствующее сечение труб. Поэтому независимо от разности температур теплоносителей и их фазового состояния общий коэффициент теплопередачи лимитируется поверхностью межтрубного пространства и остается невысоким. С целью его повышения устанавливают перегородки, что увеличивает скорость теплоносителя и повышает эффективность теплообмена.

Пучок труб закрепляется в трубных решетках различными методами: с помощью разбортовки, развальцовки, запайки, заварки или сальниковыми креплениями. Трубные решетки привариваются к кожуху (Тип 1 и 3), либо зажимаются болтами между фланцами крышки и кожуха (Тип 2 и 4), или же соединяются болтами лишь с фланцем (Тип 5 и 6). В качестве материала для решетки используется обычно листовая сталь, толщина которой должна быть не меньше 20 мм.

Данные теплообменники различаются по конструкции: жесткой (Тип 1 и 10), полужесткой (Тип 2, 3 и 7) и нежесткой (Тип 4, 5, 6, 8 и 9), по способу движения теплоносителя - многоходовые и одноходовые, прямоточные, поперечноточные и противоточные, и по способу расположения - вертикальные, горизонтальные и наклонные.

На рисунке Тип 1 представлен одноходовой теплообменник жесткой конструкции с прямыми трубками. Кожух жестко связан с трубками решетками, возможность компенсации тепловых удлинений отсутствует. Конструкция таких аппаратов проста, но их можно применять только при не очень большой температурной разности между пучком труб и корпусом (до 50°C). Кроме того, коэффициент теплопередачи в аппаратах такого типа низок, потому что скорость теплоносителя в межтрубном пространстве невысока.

В кожухотрубных теплообменниках сечение межтрубного пространства обычно в 2-3 раза больше, чем соответствующее сечение труб. Поэтому на общий коэффициент теплопередачи влияет не столько разность температур теплоносителей или их фазовое состояние, напротив, он лимитируется поверхностью межтрубного пространства и остается невысоким. С целью его повышения в межтрубном пространстве делают перегородки, что несколько увеличивает скорость теплоносителя и тем самым повышает эффективность теплообмена.

Перегородки, установленные в межтрубном пространстве, увеличивая скорость теплоносителя, повышают коэффициент теплоотдачи.

В парожидкостных теплообменниках обычно в межтрубном пространстве пропускают пар, а жидкость идет по трубам. При этом разность температур труб и стенки корпуса обычно очень велика, что требует установки различного вида компенсаторов. В этих случаях используют линзовые (Тип 3), сильфонные (Тип 7) сальниковые (Тип 8 и 9), компенсаторы.

Однокамерные теплообменники с W - или чаще U -образными трубами также эффективно устраняют тепловые напряжения в металле. Их целесообразно использовать при высоких давлениях теплоносителей, так как в аппаратах высокого давления крепление труб в решетках - операции дорогие и технологически сложные. Однако теплообменники с гнутыми трубами также не получили широкого распространения в связи с трудностью получения труб с различными радиусами изгиба, сложностью замены гнутых труб и проблемами, возникающими при их очистке.

Конструкция теплообменника, предусматривающая жесткое крепление одной трубной решетки и свободное перемещение второй, более совершенна. В этом случае устанавливается дополнительная внутренняя крышка, которая относится непосредственно к трубной системе (Тип 6). Незначительное удорожание аппарата, связанное с увеличением диаметра корпуса и изготовлением второго, дополнительного, днища, оправдывается надежностью в эксплуатации и простотой конструкции. Такие аппараты называют теплообменниками «с плавающей головкой».

Теплообменники поперечного тока (Тип 10) отличает повышенный коэффициент теплоотдачи, так как теплоноситель в межтрубном пространстве движется поперек пучка труб. В некоторых видах таких теплообменников при использовании в межтрубном пространстве газа, а в трубах - жидкости, коэффициент теплоотдачи дополнительно повышают, применяя трубы с поперечными ребрами.

Принцип действия кожухотрубных теплообменников:

Виды кожухотрубных теплообменников:

подогреватели водоводяные;
охладители воды и масел компрессоров и дизелей;
подогреватели пароводяные;
маслоохладители различных типов турбин, гидравлических прессов, насосных и компрессорных систем, силовых трансформаторов;
охладители и подогреватели воздуха;
охладители и подогреватели пищевых сред;
охладители и подогреватели, использующиеся в нефтехимии;
подогреватели воды в бассейнах;
испарители и конденсаторы холодильных установок.

Сфера и область применения

Кожухотрубные теплообменники применяются в промышленных морозильных установках, в нефтехимической, химической и пищевой отраслях, для тепловых насосов в системах водоочистки и канализации.

Кожухотрубные теплообменники находят применение в химической и тепловой промышленности для теплообмена между жидкостными, газо- и парообразными теплоносителями в термохимических процессах, и сегодня являются наиболее широко распространенными аппаратами.

Преимущества:

Надежность кожухотрубных теплообменников в эксплуатации:

Кожухотрубные теплообменные аппараты с легкостью выдерживают резкие изменения температуры и давления. Пучки труб не разрушаются при вибрации и гидравлических ударах.

Слабая загрезняемость аппаратов

Трубы этого типа теплообменников загрязняются мало и их можно довольно легко очистить кавитационно-ударным методом, химическим, или - для разборных аппаратов- механическим способами.

Длительный срок службы

Срок службы довольно длительный - до 30 лет.

Адаптируемость к различным средам

Кожухотрубные теплообменники, применяемые сегодня в промышленности, адаптированы к самым различным технологическим средам, в том числе к санитарной, морской и речной воде, нефтепродуктам, маслам, химически активным средам, и даже самые агрессивные среды практически не снижают надежность теплообменных аппаратов.

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.

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.

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к наиболее распространенным. Их применяют в промышленности и на транспорте в качестве нагревателей, конденсаторов, охладителей, для различных жидких и газообразных сред. Основными элементами кожухотрубчатого теплообменника являются: кожух (корпус), трубный пучок, камеры-крышки, патрубки, запорная и регулирующая арматура, контрольная аппаратура, опоры, каркас. Кожух аппарата сваривают в виде цилиндра из одного или нескольких, обычно стальных листов. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды в межтрубном пространстве и диаметром аппарата. Днища камер могут быть сферическими сварными, эллиптическими штампованными и реже - плоскими. Толщина днищ не должна быть меньше толщины корпуса. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. В зависимости от расположения аппарата относительно пола помещения (вертикальное, горизонтальное) к корпусу должны быть приварены соответствующие опоры. Предпочтительнее вертикальное расположение корпуса и всего теплообменника, так как в этом случае уменьшается площадь, занимаемая аппаратом, и более удобно расположение его в рабочем помещении.

Трубный пучок теплообменника может быть собран из гладких стальных бесшовных, латунных или медных прямых или U- и W-образных труб диаметром от нескольких миллиметров до 57 мм и длиной от нескольких сантиметров до 6-9 м с диаметром корпуса до 1,4 м и более. Внедряются, особенно в холодильной технике и на транспорте, образцы кожухотрубчатых и секционных теплообменников с низкими накатными продольными, радиальными и спиральными ребрами. Высота продольного ребра не превышает 12-25 мм, а высота выступа катаных труб 1,5-3,0 мм при 600-800 ребрах на 1 м длины. Внешний диаметр труб с низкорадиальными (накатными) ребрами мало отличается от диаметра гладких труб, хотя поверхность теплообмена при этом возрастает в 1,5-2,5 раза. Форма такой поверхности теплообмена обеспечивает высокую тепловую эффективность аппарата при рабочих средах с различными теплофизическими свойствами.

В зависимости от конструкции пучка как гладкие, так и накатные трубы закрепляют в одной или двухтрубных решетках развальцовкой, разбортовкой, сваркой, спайкой или сальниковыми соединениями. Из всех перечисленных способов реже применяют более сложные и дорогостоящие сальниковые уплотнения, допускающие при тепловых удлинениях продольное перемещение труб.

Размещение труб в трубных решетках (рис. 2.2) может быть осуществлено несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (шахматное), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное), по концентрическим окружностям и по сторонам и вершинам шестиугольников со смещенной на угол β диагональю. Преимущественно трубы размещаются равномерно на всей площади решетки по сторонам и вершинам правильных шестиугольников. В аппаратах, предназначенных для работы на загрязненных жидкостях, часто принимают прямоугольное размещение труб для облегчения очистки межтрубного пространства.

Рис. 2.2 - Способы закрепления и размещения труб в трубных решетках: а - развальцовкой; б - развальцовкой с отбортовкой; в - развальцовкой в очках с канавками; г и д - приваркой; е - с помощью сальника; 1 - по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (треугольников); 2 - по концентрическим окружностям; 3 - по сторонам и вершинам квадратов; 4 - по сторонам и вершинам шестиугольников со смещенной на угол β диагональю

В горизонтальных кожухотрубчатых теплообменниках-конденсаторах с целью уменьшения термического сопротивления на внешней поверхности труб, вызываемого пленкой конденсата, трубы рекомендуется размещать по сторонам и вершинам шестиугольника со смещенной на угол β диагональю, оставляя при этом в межтрубном пространстве свободные проходы для пара.

Некоторые варианты компоновки трубных пучков в корпусе приведены на (рис. 2.3). Если обе решетки пучка из прямых труб зажимаются между верхними и нижними фланцами корпуса и крышек, то такой аппарат будет жесткой конструкции (рис. 2.3, а, б). Теплообменники жесткой конструкции применяются при сравнительно небольшой разности температур между корпусом и трубами (примерно 25-30° С) и при условии изготовления корпуса и труб из материалов с близкими значениями их коэффициентов удлинения. При проектировании аппарата необходимо рассчитывать напряжения, возникающие вследствие тепловых удлинений труб в трубной решетке, особенно в местах соединения труб с решеткой. По этим напряжениям в каждом конкретном случае определяют пригодность или непригодность аппарата жесткой конструкции. Возможные варианты кожухотрубчатых теплообменников нежесткой конструкции показаны также на (рис. 2.3, в, г, д, е).

Рис. 2.3 - Схемы кожухотрубчатых теплообменников: а - с жестким креплением трубных решеток с сегментными перегородками; б - с жестким креплением трубных решеток с кольцевыми перегородками; в - с линзовым компенсатором на корпусе; г - с U-образными трубами; д - с двойными трубами (труба в трубе); е - с «плавающей» камерой закрытого типа; 1 - цилиндрический корпус; 2 - трубы; 3 - трубная решетка; 4 - верхняя и нижняя камеры; 5, 6, 9 - сегментная, кольцевая и продольная перегородки в межтрубном пространстве; 7 - линзовый компенсатор; 8 - перегородка в камере; 10 - внутренняя труба; 11 - наружная труба; 12 - «плавающая» камера

В кожухотрубчатом теплообменнике с линзовым компенсатором на корпусе (рис. 2.3, в) тепловые удлинения компенсируются осевым сжатием или растяжением этого компенсатора. Такие аппараты рекомендуется применять при избыточном давлении в межтрубном пространстве не выше 2,5·10 5 Па и при деформации компенсатора не более чем на 10-15 мм,

В теплообменниках с U-образными (рис. 2.3, г), а также с W-образными трубами оба конца труб закрепляют в одной (чаще в верхней) трубной решетке. Каждая из труб пучка может свободно удлиняться независимо от удлинения других труб и элементов аппарата. При этом в местах соединений труб с трубной решеткой и в соединении трубной решетки с корпусом не возникает никаких напряжений. Эти теплообменники пригодны для работы при высоких давлениях теплоносителей. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут быть признаны лучшими из-за трудности изготовления труб с разным радиусом изгиба, сложности замены и неудобства очистки гнутых труб.

Кроме того, в условиях эксплуатации при равномерном распределении теплоносителя на входе в трубы будет неодинаковая температура этого теплоносителя на выходе из них вследствие разных площадей поверхностей теплообмена этих труб.

В кожухотрубчатых теплообменниках с двойными трубами (рис. 2.3, д) каждый элемент состоит из двух труб: наружной - с закрытым нижним концом и внутренней - с открытым концом. Верхний конец внутренней трубы меньшего диаметра закрепляют развальцовкой или сваркой в верхней трубной решетке, а трубу большего диаметра - в нижней трубной решетке. При таких условиях монтажа каждый из элементов, состоящий из двух труб, может свободно удлиняться без возникновения тепловых напряжений. Нагреваемая среда движется по внутренней трубе, затем по кольцевому каналу между наружной и внутренней трубами. Тепловой поток от греющей к нагреваемой среде передается сквозь стенку внешней трубы. Кроме того, в процессе переноса теплоты участвует и поверхность внутренней трубы, потому что температура нагреваемой среды в кольцевом канале выше температуры той же среды во внутренней трубе.

В кожухотрубчатом теплообменнике с «плавающей» камерой закрытого типа (рис. 2.3, е) трубный пучок собирается из прямых труб, соединенных двумя трубными решетками. Верхнюю решетку зажимают между верхним фланцем корпуса и фланцем верхней камеры. Нижняя трубная решетка не соединяется с корпусом, она вместе с нижней камерой внутритрубного пространства свободно может перемещаться вдоль оси теплообменника. Эти теплообменники более совершенны, чем другие аппараты нежесткой конструкции. Некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса в зоне «плавающей» камеры и из-за необходимости изготовления дополнительной крышки оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Аппараты могут быть вертикального и горизонтального исполнения.

Другие типы теплообменников с компенсацией тепловых удлинений, как, например, с сильфонным компенсатором на верхнем патрубке, отводящим (подводящим) теплоноситель из внутритрубного пространства, с сальниковым уплотнением верхнего патрубка или трубной решетки и т. п. ввиду сложности изготовления, малой надежности в эксплуатации и низких допускаемых давлений теплоносителей в перспективе будут применяться только в исключительных случаях.

Трубное и межтрубное пространства теплообменников разобщены и образуют два контура для циркуляции двух теплоносителей. Но в случае необходимости во внутритрубный контур можно подавать не одну, а две и даже три нагреваемые среды, разделив при этом эти потоки перегородками, размещенными в крышках аппаратов.

Практически при конструировании таких аппаратов можно обосновать и обеспечить оптимальную скорость только одного теплоносителя, проходящего по внутритрубному контуру, изменяя при этом расположение труб в трубной решетке и число ходов по трубам. Многоходовые аппараты создают путем установки соответствующих перегородок в верхней и нижней камерах теплообменника.

Скорость потока в межтрубном пространстве определяется условиями размещения труб в трубной решетке. Обычно живое сечение для прохода теплоносителя в межтрубном пространстве в 2-3 раза больше живого сечения труб, поэтому при равных объемных расходах обеих сред скорость потока в межтрубном пространстве в 2-3 раза меньше, чем в трубах. В случае необходимости в межтрубном пространстве могут быть установлены сегментные или кольцевые перегородки, уменьшающие живое сечение и придающие жесткость трубному пучку. Естественно, при этом в межтрубном пространстве будет возрастать скорость потока, организуется продольно-поперечное омывание пучка труб, улучшатся условия теплообмена.

В водо-водяных или вообще жидкостно-жидкостных теплообменниках рабочую среду с меньшим расходом в единицу времени (или с большей вязкостью) целесообразно направлять во внутритрубный контур, хотя в некоторых случаях могут быть и отступления от этого принципа, например в аппаратах для охлаждения масла (рис. 2.3, б).

В парожидкостных теплообменниках , особенно при повышенных параметрах пара, наблюдается большая разность между температурами стенок труб и корпуса. Поэтому для таких случаев нагрева жидкости чаще всего используются аппараты нежесткой конструкции, за исключением конденсаторов пара, работающих под вакуумом. Пар обычно проходит в межтрубном пространстве сверху вниз, а жидкость - внутри труб. Конденсат удаляется из нижней части корпуса через конденсатоотводчик. Обязательным условием, обеспечивающим нормальную работу парожидкостного теплообменника, является отвод неконденсирующихся газов из верхней части межтрубного пространства и из нижнего объема над поверхностью конденсата. В противном случае будут ухудшаться условия теплообмена на внешней поверхности труб, резко уменьшится тепловая производительность аппарата.

В комплексных промышленных теплоэнергетических установках применяют конденсаторы, которые выполняют вспомогательную роль в данном процессе. Выбор типа и конструкции конденсатора зависит от давления, при котором протекает процесс фазового перехода, и от необходимости сохранения конденсата. В этой связи следует рассматривать поверхностные и смесительные конденсаторы.

Поверхностные кожухотрубчатые конденсаторы жесткой конструкции горизонтального типа компактны, удобны для размещения в сочетании с другим оборудованием, но в то же время они дороже смесительных. Расположение труб в решетке поверхностных конденсаторов осуществляется по варианту, показанному на рис. 2.2 (4) или рис. 2.2 (1). По ходу воды в трубах конденсаторы выполняются двух- и четырехходовыми. Пар конденсируется в межтрубном пространстве, в котором предусматривают свободные проходы для пара к нижним рядам труб. Такой способ конденсации пара обеспечивает чистоту конденсата, который может служить питательной средой для парогенераторов. В этих конденсаторах можно поддерживать давление от 5000 до 3000 Па.

Большое количество разнообразных кожухотрубчатых теплообменных аппаратов изготавливается серийно специализированными заводами, поэтому во многих случаях представляется возможным выбрать теплообменник, соответствующий расчетным характеристикам, по каталогу.

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.