Техническое описание

Кожухо-трубные теплообменники производства Геоклима – достаточно сложное устройство, и существует множество его разновидностей. Относятся к виду рекуперативных. Деление теплообменников на виды производится в зависимости от направления движения теплоносителя.

Виды кожухотрубных теплообменников:

• 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. Кожухотрубные теплообменные аппараты CROM / GEOCLIMA служат для нагревания/охлаждения, конденсации/испарения разных жидких и парообразных сред в разных процессах производства.

Производство кожухо-трубных теплообменников в России, делает следующие типы аппаратов:

• Теплообменники кожухотрубные Геоклима для сжатых газов
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима для рекуперации тепла выхлопных газов
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима для охлаждения биогаза
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима – пар/вода
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима для CO 2
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима из специальных материалов (inox 304, 316, 316L, 316Ti, 321, 90Cu10NiFe, 70Cu30NiFe, углеродная сталь, титан)
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима с коаксиальными трубками. (используются для нагрева охлаждения газов, масел, агрессивных сред, рекуперации тепла отходящих дымовых газов. Рабочие условия кожухотрубных теплообменников с коаксиальными трубками CROM; давление -300АТМ, температура +600*С.
• Теплообменники кожухотрубные Геоклима затопленного типа (циркуляция хладогента происходит в межтрубном пространстве, а циркуляция воды происходит по трубам).

Особенности

Применение передовых разработок и технологий при создании кожухотрубных теплообменников обеспечивают предельную эффективность теплообмена при одинаковых размерах.

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;
• возможно также комплексное применение различных конструкционных решений, например, в одной конструкции могут быть использованы плавающая головка и термокомпенсатор.

Кожухотрубные аппараты по функциям классифицируются:

• Теплообменники универсальные;
• Испарители;
• Конденсаторы;
• Холодильники;

По расположению теплообменники бывают:

• Горизонтальные;
• Вертикальные

Отличительные свойства оборудования:
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:

• большая производительность
• компактность
• надежность
• универсальность в использовании.

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.

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.

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 %.

Среди всех разновидностей теплообменников этот вид наиболее распространен. Его применяют при работе с любыми жидкостями, газовыми средами и парообразными, в том числе, если состояние среды меняется в процессе перегона.

История появления и внедрения

Изобрели кожухотрубные (или ) теплообменники в начале прошлого века, дабы активно использовать при работе ТЭС, где большое количество нагретой воды перегонялось при повышенном давлении. В дальнейшем изобретение стали использовать при создании испарителей и нагревающих конструкций. С годами устройство кожухотрубного теплообменника совершенствовалось, конструкция стала менее громоздкой, ее теперь разрабатывают так, чтобы было доступно чистить отдельные элементы. Чаще стали применять подобные системы в нефтеперегонной промышленности и производстве бытовой химии, поскольку продукты этих отраслей несут в себе массу примесей. Их осадок как раз и требует периодической чистки внутренних стенок теплообменника.

Как мы видим на представленной схеме, кожухотрубный теплообменник состоит из пучка трубок, которые расположены в своей камере и закреплены на доске либо решетке. Кожух – собственно, название всей камеры, сваренной из листа не менее 4 мм (или больше, в зависимости от свойств рабочей среды), в которой находятся мелкие трубки и доска. В качестве материала для доски используют обыкновенно листовую сталь. Между собой трубки соединяются патрубками, имеются также вход и выход в камеру, отвод для конденсата, перегородки.

В зависимости от количества труб и их диаметра, колеблется мощность теплообменника. Так, если передающая тепло поверхность составляет около 9 000 кв. м., мощность теплообменника составит 150 МВт, это пример работы паровой турбины.

Устройство кожухотрубного теплообменника подразумевает соединение сварных труб с доской и крышками, которое может быть разным, равно как и изгиб кожуха (в виде буквы U или W). Ниже представлены типы устройств, наиболее часто встречающиеся на практике.

Еще одной особенностью устройства является расстояние между трубами, которое в 2-3 раза должно превышать их сечение. Благодаря чему коэффициент отдачи тепла является небольшим, и это способствует эффективности всего теплообменника.

Исходя из названия, теплообменник – это устройство, создаваемое с целью передать вырабатываемое тепло на нагреваемый предмет. Теплоносителем в данном случае выступает конструкция, описанная выше. Работа кожухотрубного теплообменника заключается в том, что холодная и горячая рабочие среды двигаются по разным кожухам, и теплообмен происходит в пространстве между ними.

Рабочей средой внутри труб является жидкость, в то время как горячий пар проходит в расстоянии между труб, образуя конденсат. Поскольку стенки труб нагреваются больше, чем доска, к которой они прикреплены, эту разность необходимо компенсировать, иначе бы устройство имело значительные потери тепла. Для этого применяются так называемые компенсаторы трех типов: линзы, сальники или сильфоны.

Также, при работе с жидкостью под высоким давлением используют однокамерные теплообменники. Они имеют изгиб U, W-образного типа, необходимое чтобы избежать высоких напряжений в стали, вызываемых тепловым удлинением. Их производство достаточно дорогое, трубы в случае ремонта сложно заменить. Поэтому такие теплообменники пользуются меньшим спросом на рынке.

В зависимости от способа крепления труб к доске или решетке, выделяют:

• Приваренные трубы;
• Закрепленные в развальцованных нишах;
• Соединенные болтами с фланцем;
• Запаянные;
• Имеющие сальники в конструкции крепежа.

По типу конструкции кожухотрубные теплообменники бывают (см. рисунок-схему выше):

• Жесткие (буквы на рис. а, к), нежесткие (г, д, е, з, и) и наполовину жесткие (буквы на рис. б, в и ж);
• По количеству ходов – одно- или многоходовые;
• По направлению тока технической жидкости – прямого, поперечного или против направленного тока;
• По расположению доски горизонтальные, вертикальные и расположенные в наклонной плоскости.

Широкие возможности кожухотрубного теплообменника

1. Давление в трубках может достигать разных значений, от вакуума до наивысших;
2. Можно достичь необходимого условия по термическим напряжениям, при этом цена устройства существенно не поменяется;
3. Размеры системы тоже могут быть различными: от бытового теплообменника в ванную комнату до промышленного площадью 5000 кв. м.;
4. Нет необходимости предварительно очищать рабочую среду;
5. Для создания сердцевины используют разные материалы, в зависимости от затрат на производство. Однако все они соответствуют требованиям температуры, давления и устойчивости к коррозии;
6. Отдельный участок труб можно извлечь для чистки или ремонта.

Есть ли у конструкции недостатки? Не без них: кожухотрубчатый теплообменник весьма громоздкий. Из-за своих габаритов он нередко требует отдельного технического помещения. Ввиду большой металлоемкости стоимость изготовления такого устройства тоже велика.

В сравнении с теплообменниками U, W-трубчатыми и с неподвижными трубками кожухотрубные имеют больше преимуществ и являются эффективнее. Поэтому их чаще покупают, несмотря на высокую стоимость. С другой стороны, самостоятельное изготовление подобной системы вызовет большие трудности, а скорее всего, приведет к значительным потерям тепла в процессе работы.

Особое внимание при эксплуатации теплообменника следует уделять состоянию труб, а также настройке в зависимости от конденсата. Любое вмешательство в систему приводит к изменению площади теплообмена, поэтому ремонт и пуско-наладку должны производить обученные специалисты.

Вас может заинтересовать:

Нефтегазовый сепаратор – это устройство, в котором нефть отделяется от попутного газа (или вода отделяется от нефти) за счет различной плотности жидкостей. Бывают горизонтальные, вертикальные и гидроциклонные сепараторы. Основные области применения сепараторов нефти: нефтехимическая, нефтеперерабатывающая и прочие сферы, где требуется разделение нефтяных эмульсий. Принцип работы сепаратора нефти Процесс отделения нефти...

В зависимости от способа эксплуатации, готовые металлические изделия могут трансформироваться, разбираться или иметь стационарную конструкцию. Используемые методы изготовления металлоконструкций зависят от особенностей объекта, на котором они будут эксплуатироваться. К примеру, для быстровозводимых сооружений обычно используются легкие металлоконструкции, каркас зданий практически любых типов состоит из упрочненного...

Руководство нефтедобывающего предприятия «Томскнефть» приняло решение о применении беспилотных летательных аппаратов, созданных специалистами компании ZALA AERO (г. Ижевск), являющейся лидером в данной отрасли. Этот вариант был признан лучшим для получения возможности качественного контроля подведомственных объектов нефтегазодобычи и трасс трубопроводов. Эти сведения были получены от начальника управления по эксплуатации...

Газосепаратор – устройство, предназначенное для удаления жидкой фазы и механических примесей из потоков сжатого газа. Широко используется в технологиях добычи, транспортировки и хранения газовых смесей. Применяется в качестве оснастки на распределяющих и компрессорных станциях, газоперерабатывающих предприятиях. Кроме обеспечения заданной чистоты продукта на сепаратор возлагается дополнительная функция - поддержание...