Теплообменник кожухотрубный принцип работы

Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника, его преимущества и недостатки

Теплообменники – это устройства, которые служат для передачи тепла от теплоносителя (горячего вещества), к веществу холодному (нагреваемому). В качестве теплоносителей могут использоваться газ, пары или жидкость. На сегодняшний день наиболее широкое распространение из всех видов теплообменников получили кожухотрубные. Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника заключается в том, что горячий и холодный теплоносители движутся по двум различным каналам. Процесс теплообмена происходит между стенками этих каналов.

Виды и типы кожухотрубных теплообменников

Теплообменник – достаточно сложное устройство, и существует множество его разновидностей. Кожухотрубные теплообменники относятся к виду рекуперативных. Деление теплообменников на виды производится в зависимости от направления движения теплоносителя. Они бывают:

  • перекрестноточными;
  • противоточными;
  • прямоточными.

Кожухотрубные теплообменники получили такое название потому, что тонкие трубки, по которым движется теплоноситель, находятся в середине основного кожуха. От того, какое количество трубок находится в середине кожуха, зависит то, с какой скоростью будет двигаться вещество. От скорости движения вещества будет зависеть, в свою очередь, коэффициент теплопередачи.


Для изготовления кожухотрубных теплообменников используются легированные и высокопрочные стали. Такие виды сталей используется потому, что данные устройства, как правило, работают в крайне агрессивной среде, которая способна вызывать коррозию.
Теплообменники разделяются также на типы. Производят следующие типы данных устройств:

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

Преимущества кожухотрубных теплообменников

Кожухотрубные агрегаты в последнее время пользуются высоким спросом, и большинство потребителей предпочитают именно данный тип агрегата. Такой выбор не случаен – кожухотрубные агрегаты имеют множество достоинств.

Основным, и наиболее весомым достоинством является высокая стойкость данного типа агрегатов к гидроударам. Большинство производимых сегодня видов теплообменников таким качеством не обладают.

Вторым преимуществом является то, что кожухотрубные агрегаты не нуждаются в чистой среде. Большинство приборов в агрессивных средах работают нестабильно. Например, пластинчатые теплообменники таким свойством не обладают, и способны работать исключительно в чистых средах.
Третьим весомым преимуществом кожухотрубных теплообменников является их высокая эффективность. По уровню эффективности его можно сравнить с пластинчатым теплообменником, который по большинству параметров является наиболее эффективным.

Таким образом, можно с уверенностью говорить о том, что кожухотрубные теплообменники являются одними из самых надежных, долговечных и высокоэффективных агрегатов.

Недостатки кожухотрубных агрегатов

Несмотря на все плюсы, данные устройства имеют и некоторые недостатки, о которых также стоит упомянуть.

Первый, и наиболее значительный недостаток – большие размеры. В некоторых случаях от использования таких агрегатов приходится отказываться именно из-за крупных габаритов.

Второй недостаток – высокая металлоемкость, которая является причиной высокой цены кожухотрубных теплообменников.

Советы и рекомендации

Теплообменники, в том числе и кожухотрубные, устройства довольно «капризные». Рано или поздно им требуется ремонт, а он влечет за собой определенные последствия. Наиболее «слабая» часть теплообменника – трубки. Именно они чаще всего и являются источником проблемы. При проведении ремонтных работ обязательно следует учитывать, что в результате любого вмешательства может уменьшиться теплообмен.

Зная эту особенность агрегатов, большинство опытных потребителей предпочитает приобретать теплообменники с «запасом».

Надо также отметить, что могут возникать некоторые сложности при регулировании таких теплообменников «по конденсату». При любых изменениях соответственно изменяется и площадь теплообмена. При этом следует читывать, что изменяется площадь нелинейно.

Изготовить кожухотрубный теплообменник самостоятельно сложно, а во многих случаях просто невозможно. Это сложное устройство, при производстве которого должны быть строго соблюдены все этапы технологического процесса.

Принцип работы кожухотрубного теплообменника

Теплообменник – агрегат, предназначенный для передачи тепла от одного носителя к другому. Основные конструктивные типы этих устройств: регенераторные и рекуператорные. Наиболее распространен рекуператорный тип, в котором теплоносители разделены перегородкой. Самым популярным в рекуперативной группе является кожухотрубчатый аппарат. Принцип действия кожухотрубного теплообменника заключается в рекуперативном обмене теплоэнергией, который позволяет нагреть или охладить практически любой носитель до требуемой температуры.

Функциональные возможности

Кожухотрубный теплообменник обеспечивает:

  • нагрев, охлаждение или установку равновесия между температурами двух сред;
  • возможность обмена тепловой энергией между двумя средами, находящимися в разном агрегатном состоянии, – жидкостями, газами, парогазами;
  • возможность изменения физического состояния вещества.

Устройство может выполнять функции подогревателя, испарителя, конденсатора. Преимущества:

  • надежность, прочность, относительно невысокая стоимость;
  • удобные для монтажа формы;
  • значительная площадь теплообмена при компактных габаритах;
  • работа с веществами в различных агрегатных состояниях;
  • механическая устойчивость к гидравлическим ударам;
  • возможность использования в загрязненных средах.

У этого агрегата, изготовленного полностью из металла, один основной недостаток – значительная масса. Технические параметры обуславливают востребованность трубчатых теплообменных аппаратов в нефтехимии и добывающих отраслях. А использование устройства в разнообразных и сложных эксплуатационных условиях потребовало создания целого перечня модификаций, приспособленных к решению определенного круга задач.

Конструкция и принцип работы кожухотрубного теплообменника

Основные элементы, входящие в состав агрегата, независимо от его модификации:

  • цилиндрический кожух;
  • наружные патрубки – входящие и отводные;
  • пучок бесшовных труб одинакового диаметра, закрепленный решетками, трубы имеют диаметр 12-57 мм, могут располагаться вертикально или горизонтально;
  • днище – плоское или сферической формы.

Принцип действия:

  • в трубы поступает рабочий поток №1;
  • во внутреннюю полость цилиндра направляется поток среды №2;
  • среды обмениваются тепловой энергией через разделительную стенку без непосредственного контакта друг с другом, один поток охлаждается, второй нагревается.

Разновидности конструкций кожухотрубных теплообменников

В зависимости от запланированной области применения, выбирают модели с жестким, полужестким, нежестким кожухом, вертикального или горизонтального расположения, одно- или многоходовые. Конфигурация аппарата, его длина, число трубок обуславливают:

  • скорость перемещения среды;
  • энергоэффективность;
  • коэффициент теплопередачи.

Металлы для изготовления аппаратов выбираются, в зависимости от характеристик рабочих сред, с которыми они будут контактировать. При конструировании новых модификаций разработчики старались устранить основной недостаток этого агрегата – физическое расширение или сужение стальных элементов при транспортировке холодных и горячих сред. Серийно выпускают кожухотрубчатые теплообменники описанных ниже видов.

С температурными компенсаторами на корпусе

Эта конструкция характерна для теплообменников, предназначенных для работы при невысоких давлениях и высоких температурах. Температурные линейные деформации кожуха уравновешиваются с помощью компенсаторов – сильфоновых, сальниковых, линзовых.

Система с плавающей головкой

В конструкции такого агрегата имеется плавающая головка, жестко не связанная с кожухом. Служит для соединения трубок. При температурном воздействии среды изменяется длина трубок, вызывая свободное перемещение головки внутри корпуса. Такая конструкция обеспечивает отсутствие деформаций кожуха и равномерное распределение напряжений. Она применяется в технологических процессах, не предусматривающих сильного загрязнения трубок, или при возможности их простой очистки.

Для обеспечения эффективной работы всех кожухотрубных теплообменников, особенно функционирующих в контакте с загрязненными средами, необходимо выполнение профилактических мероприятий. Они заключаются в аккуратной очистке внутренней поверхности трубок с исключением вероятности их повреждения и в своевременном устранении протечек.

Кожухотрубный теплообменник: устройство и принцип работы

Кожухотрубные теплообменники – это аппараты , предназначенные для передачи тепла между двумя автономными потоками – горячим и холодным . Процесс теплообмена заключается в движении жидкостей в разных полостях,причем преимущественно выбирается противоточная схема движения жидкости. Во время движения жидкости горячая среда предает тепло холодной через стенки теплообменных труб .

Чтобы купить кожухотрубный теплообменник или узнать цены на кожухотрубный бойлер, звоните по телефону: +7 (800) 555-81-91 или заполните заявку на сайте.

Наши специалисты готовы предоставить полную информацию о технических характеристиках оборудования, а также оказать консультационную поддержку при выборе теплообменника, учитывая требования заказчика, а также условия эксплуатации.

Стоимость кожухотрубного теплообменника

Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века и получили свое название из-за тонких теплообменных труб,находящихся в середине основного кожуха,причем их количество влияет на поверхность теплообмена,и,как следствие, эффективность аппарата. Их разработка была связана с потребностью в аппаратах с высоким показателем производительности и способностью работать при высоком давлении. Изначально применялись на тепловых станциях, затем – как компоненты испарителей и нагревателей в нефтепромышленности. Зачастую аппараты работали с загрязненными средами,что способствовало конструировать их так,чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки.

С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено прежде всего надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:

однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонам теплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением

диапазон давления от вакуума до высоких значений

в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов

удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата

размеры от малых до предельно больших (5000 м 2 )

Читайте также:  Котел конденсационный принцип работы

возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению

использование развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и снаружи, различных интенсификаторов и т.д.

возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта

Сегодня это самые распространенные агрегаты с промышленным и бытовым назначением.

Устройство кожухотрубного теплообменника

Кожухотрубный теплообменник состоит из:

распределительной камеры,с патрубками входа и выхода среды;

кожух (корпус) теплообменника с патрубками входа и выхода среды;

Конструкция кожухотрубчатого теплообменника :

Теплообменник дополнительно оснащается опорами, позволяющими расположить его горизонтально, и монтажными креплениями.

Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника простой. Агрегат разделяет носители, внутри устройства не происходит смешивание продуктов. Тепло передается по трубкам, которые находятся между теплоносителями. Один из них помещен внутри труб, другой подается в межтрубный участок под давлением. Энергоносители могут различаться по своему агрегатному состоянию – газообразному, парообразному или жидкостному.

Чтобы купить кожухотрубный теплообменник или узнать цены на кожухотрубный бойлер, звоните по телефону: +7 (800) 555-81-91 или заполните заявку на сайте.

Наши специалисты готовы предоставить полную информацию о технических характеристиках оборудования, а также оказать консультационную поддержку при выборе теплообменника, учитывая требования заказчика, а также условия эксплуатации.

Стоимость кожухотрубного теплообменника

Виды и типы кожухотрубных теплообменников

Диаметр теплообменников может быть в пределах 159-3000 мм, длиной-от 0,1 до десятков метров. Максимальный уровень давления – 160 кг/см 2 . Существуют следующие типы установок:

    Со встроенными трубчатыми решетками. Конструктивно предусмотрена жесткая сцепка всех составляющих частей. Эти аппараты используются преимущественно в нефте- и химической промышленности. На их долю приходится три четверти рыночного предложения. Для данного вида характерны приваренные к внутренней стороне корпуса решетки труб и прочно скрепленные с ними трубки. Такая фиксация не дает составляющим компонентам сдвигаться внутри корпуса.

С температурным компенсатором. Кожухотрубный теплообменник путем продольного сжатия или с помощью особых упругих вставок в расширителях возмещает удлинение от тепла. Устройство является полужестким.

С плавающей головкой. Таким термином называется подвижная решетка, перемещаемая по системе совместно с крышкой. Агрегат стоит дороже, но он усовершенствован и надежен.

С изогнутой формой (U-образной). В конструкции два конца приварены к одной решетке с поворотом на 180 градусов и радиусом от 4 диаметров трубы, благодаря чему кожухотрубные теплообменники имеют свободно удлиняющиеся трубы.

  • С комбинированным наполнением. Оборудованы компенсатором и встроенной плавающей головкой.
  • Исходя из направления передвижения, агрегаты делятся на виды:

    Аппараты бывают одноходовые и многоходовые. В первом варианте наполнитель перемещается по короткой траектории, пример – водонагреватель ВВП, применяемый в отопительных системах . Он подходит для зон, где не принципиальна величина теплообмена (разница температур окружающей среды и теплоносителя минимальна). Второй вид оснащен поперечными или продольными перегородками , обеспечивающими перенаправление потоков носителя. Многоходовые устройства используются в местах, где важна высокая скорость теплообмена.

    Эксплуатационные характеристики

    К достоинствам трубчатого теплообменника можно отнести отличный показатель эксплуатационного срока. Для долгой и стабильной службы устройства требуется своевременно проводить техобслуживание. Как правило, трубы агрегата заполняют нефильтрованной жидкостью, что приводит к их закупорке и нарушает работу всей системы. Трубки требуется прочищать, а остальные элементы – промывать.

    Если необходим ремонт, обязательным этапом идет диагностика. В процессе выявляются ключевые проблемы. Наиболее уязвимая часть агрегата – трубы, они чаще всего подвержены повреждениям.

    Преимущества :

    повышенная стойкость к гидроударам, что выгодно отличает устройства от аналогов;

    способность функционировать в условиях, далеких от идеальных, с использованием сильно загрязненных веществ;

    простота эксплуатации, механическая чистка и техническое обслуживание не представляют трудностей для персонала;

    Последнее качество особенно ценно, если сравнивать кожухотрубчатый аппарат с пластинчатым. Пластинчатые установки имеют в конструкции сложные прокладки и чаще подвержены засорению ввиду небольшого поперечного сечения проточных каналов . После каждой чистки аппарата уплотнения меняют, что выходит довольно дорого. Форма прокладок кожухотрубных теплообменников более простая, это облегчает замену. По количеству их нужно меньше.

    Кроме того, пластинчатые варианты не пригодны к применению в зонах с жесткой водой или там, где не исключены механические частицы. Кожухотрубные изделия не настолько требовательны, они могут работать даже с морской водой и агрессивными жидкостями.

    Недостатки :

    низкий, по аналогии с пластинчатыми, коэффициент полезного действия. На этот показатель влияет меньшая площадь теплопередающей поверхности;

    большие габариты. Из-за этого цена аппарата выше, равно как и расходы на его эксплуатацию;

    теплоотдача сильно зависима от скорости движения жидкости.

    Несмотря на перечисленные недостатки, кожухотрубные теплообменники прочно заняли свое место на рынке. Они все так же популярны и пользуются повышенным спросом.

    Область применения

    Основные потребители кожухотрубных теплообменников с бытовой точки зрения – жилищно-коммунальные хозяйства. Они применяют агрегаты в составе инженерных сетей. Широко используют изделия теплосети для поставки в жилые дома горячей воды. Если есть возможность, имеет смысл сделать индивидуальный тепловой пункт, он значительно эффективнее, чем централизованная магистраль.

    Кожухотрубные устройства нашли применение в нефтедобывающей отрасли, химической и газовой промышленности, в сфере теплоэнергетики . Не обошли их своим вниманием пивное и пищевое производство. Но больше всего востребованы теплообменники в как конденсаторы, утилизаторы тепла отработанных газов и подогреватели.

    ООО «НЗТО» выпускает изделия, которые характеризуются малой чувствительностью к перепадам температур и давления, не имеют ограничений по рабочим средам. Мы изготавливаем продукцию заданных размеров, горизонтальной или вертикальной ориентации, разных диапазонов рабочего давления и материалов.

    Чтобы купить кожухотрубный теплообменник или узнать цены на кожухотрубный бойлер, звоните по телефону: +7 (800) 555-81-91 или заполните заявку на сайте.

    Наши специалисты готовы предоставить полную информацию о технических характеристиках оборудования, а также оказать консультационную поддержку при выборе теплообменника, учитывая требования заказчика, а также условия эксплуатации.

    Кожухотрубный теплообменник: принцип действия аппарата

    Кожухотрубный теплообменник — это устройство обмена тепла между двумя разными потоками. Происходит нагрев одной среды благодаря охлаждающему агенту другой. Две различные среды могут менять своё агрегатное состояние, но в процессе передачи энергии перемешивания не происходит. Обмен теплом осуществляется через стенки устройства. Трубы часто выполняются ребристыми, чтобы увеличить площадь теплопередающей поверхности.

    Виды теплообменников

    Теплообменники бывают различных видов. Их диаметр может составлять от 159 до 3000 мм. Максимальное давление — 160 кг/см 2 . Длина может колебаться от нескольких десятков до 10 000 мм. Виды агрегатов:

    1. Со встроенными решётками, выполненными в виде трубы.
    2. Устройство кожухотрубного теплообменника может предусматривать наличие температурного компенсатора.
    3. Прибор, оснащённый плавающей головкой.
    4. С U-образной формой устройства.
    5. Комбинированный. В нём есть компенсатор и встроенная плавающая головка.

    В этом видео вы узнаете, как классифицируются теплообменники:

    Конструкция кожухотрубного теплообменника, в котором есть трубные решётки, имеет жёсткую сцепку всех элементов. Такие аппараты чаще всего используются в нефтяной или химической промышленности. Этот тип устройства занимает примерно три четверти всего рынка. У данного вида трубные решётки привариваются изнутри к стенкам корпуса, а к ним на жёсткой сцепке приделаны теплообменные трубы. Это позволяет избежать каких-либо сдвигов всех составных элементов внутри корпуса.

    Кожухотрубчатый теплообменный аппарат компенсирует удлинение от тепла продольным сжатием или же с помощью специальных гибких вставок в расширителях. Это полужесткая конструкция.

    Устройство с плавающей головкой считается намного совершеннее. Плавающая головка — это специальная подвижная решётка. Она перемещается по всей трубной системе вместе с крышкой. Такой аппарат дороже, но и намного надёжнее.

    Существуют теплообменники с одним ходом и многоходовые

    У аппарата с U-образной трубной системой два конца привариваются к одной решётке. Угол поворота составляет 180°, а радиус — от 4 диаметров трубы. Благодаря такой конструкции трубы внутри корпуса могут свободно удлиняться.

    Существуют одноходовые и многоходовые теплообменники. Выбор зависит от направления перемещения теплоносителя внутри аппарата. В одноходовом наполнитель движется по кратчайшему пути. Самый яркий пример такого типа устройств — это водонагреватель ВВП, который используется в системах отопления. Такой аппарат лучше всего применять в местах, где не нужен высокий показатель теплообмена (разница между температурой окружающей среды и носителем тепла минимальная).

    В многоходовых аппаратах присутствуют специальные поперечные перегородки. Они обеспечивают перенаправление потока теплоносителя. Используются там, где необходима большая скорость теплообмена. Также трубчатые аппараты делятся на одноточные, перекрестноточные и противоточные.

    Чтобы теплообменник можно было эксплуатировать в экстремальных условиях, вместо обычных стальных труб используют стеклянные или графитовые. Корпус герметизируют с помощью сальников.

    Принцип работы

    Устройство имеет довольно простой принцип действия. Кожухотрубный теплообменник разделяет носители. Внутри конструкции перемешивания продуктов не происходит. Передача тепла осуществляется по стенкам трубчатых элементов, которые разделяют теплоносители. Один носитель находится внутри труб, а другой подаётся под давлением в межтрубное пространство. Агрегатные состояния обоих энергоносителей могут отличаться. Это может быть газ, пар или жидкость.

    Читайте также:  Двухконтурный газовый котел как работает

    Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника заключается в штатных процессах передачи энергии между жидкостями и различными газами. Для повышения коэффициента переноса тепловой энергии применяются довольно большие скорости перемещения продуктов внутри конструкции. Для пара или газа генерируют от 8 до 25 м/с. Для жидких теплоносителей минимальная скорость составляет 1,5 м в секунду.

    Тепло проходит через стенки данного агрегата

    Конструкция кожухотрубчатого аппарата

    Основное достоинство кожухотрубного обменника тепла и главная причина его популярности заключается в высокой надёжности конструкции. В неё входят распределительные камеры, которые оснащаются трубками. Также предусматривается цилиндрический кожух, пучок труб и определённое количество решёток. Вся конструкция дополняется крышками, которые находятся с торцов. В комплект входят опоры, которые позволяют размещать устройство в горизонтальной плоскости. Также существует крепление для монтажа аппарата в любой точке пространства.

    Для увеличения обмена тепла между теплоносителем используются трубы, которые покрыты специальными рёбрами. Если задача состоит в снижение теплоотдачи, то корпус покрывается каким-либо теплоизолирующим слоем. Так можно значительно увеличить аккумулирующие свойства изделия. Используются специальные конструкции, в которых одна труба находится во второй.

    Для изготовления кожуха применяется толстолистовая сталь (от 4 мм). Чтобы произвести решётки, чаще всего берётся такой же материал, но его толщина гораздо больше (от 2 см). Основной элемент — пучок из труб, изготовленных из материала, который имеет высокую теплопроводность. Этот пучок закрепляется с одной или двух сторон на трубных решётках.

    Преимущества и недостатки

    У этих устройств есть несколько преимуществ, что обеспечивает достаточную конкурентоспособность на рынке теплообменных систем. Основные преимущества оборудования:

    1. Конструкция обеспечена отличной стойкостью к гидравлическим ударам. У аналогичных систем этой характеристики нет.
    2. Кожухотрубные теплообменники способны работать в экстремальных условиях или с продуктами, которые довольно сильно загрязнены.
    3. Их очень просто эксплуатировать. Легко проводить механическую чистку оборудования, его плановое техническое обслуживание. Аппаратура имеет высокую ремонтопригодность.

    У данного теплообменника имеются как плюсы, так и минусы

    .Несмотря на все преимущества, у этого устройства присутствуют и недостатки. Их следует учитывать перед приобретением. В зависимости от целей использования, возможно, могут потребоваться другие аналогичные системы. Недостатки аппарата:

    1. КПД ниже, чем у пластинчатых изделий. Это связано с тем, что у кожухотрубных обменников площадь поверхности, передающей тепло, меньше.
    2. Имеет большие размеры. Это повышает его конечную стоимость, а также затраты на эксплуатацию.
    3. Коэффициент теплоотдачи сильно зависит от того, насколько быстро перемещается агент.

    Несмотря на все свои недостатки, кожухотрубные устройства заняли свою нишу на рынке теплообменников. Они остаются популярными, и их используют во многих отраслях промышленности.

    Область применения

    Кожухотрубные изделия используются в составной части инженерных сетей ЖКХ. Также их применяют в теплопунктах для обеспечения горячей водой жилых домов. У индивидуальных тепловых пунктов есть определённые преимущества перед центральным тепловым и водообеспечением: они гораздо эффективнее обеспечивают теплом здания и другие объекты, чем централизованная теплосеть.

    Также тепловые обменники этого типа используются в нефтедобывающей, химической и газовой промышленностях. Их применяют в сфере теплоэнергетики, где теплоносители имеют высокие показатели передачи температуры. И это ещё далеко не все отрасли, где применяется подобное оборудование. Его можно встретить в испарителях ребойлера или же в конденсаторах-охладителях воздушного теплообмена, ректификационных колоннах. Оно нашло применение в пивном производстве и пищевой отрасли.

    Эксплуатация устройства

    Трубчатый обменник тепловой энергии обладает высоким показателем срока эксплуатации. Чтобы он выполнял свою роль качественно и служил долго, необходимо своевременно проводить плановое техническое обслуживание. Чаще всего заполняют агрегат жидкостью, которая не прошла этапы фильтрации. Это приводит к постепенному закупориванию трубок, что не даёт жидкости-теплоносителю свободно перемещаться по системе. Нужно вовремя и систематически проводить механическую очистку всех элементов кожухотрубного изделия. Также необходимо промывать составные части под высоким давлением.

    Если возникла необходимость ремонта трубчатого аппарата, первым делом нужно провести диагностические мероприятия. Это позволяет обнаружить главные проблемы. Самой уязвимой частью являются трубки, которые чаще всего повреждаются. Диагностика проводится с помощью гидравлических испытаний.

    Советы и рекомендации

    Всё оборудование обмена тепловой энергии довольно капризное. К этому числу относятся и кожухотрубные устройства. При любых вмешательствах в конструкцию для проведения ремонта нужно учитывать, что это может повлиять на коэффициент теплопроводности и, соответственно, обмена тепла между носителями. Многие предприятия, а также физические лица покупают сразу несколько установок, чтобы можно было быстро подключиться к другому устройству.

    Необходимо не забывать, что могут появляться определённые трудности во время регулирования оборудования «по конденсату». Абсолютно любые изменения влекут за собой увеличение или уменьшение теплообмена. Также нужно учитывать, что изменение площади происходит нелинейно.

    Кожухотрубный (кожухотрубчатый) теплообменник. Устройство и принцип работы

    Кожухотрубные теплообменники относятся к наиболее распространенным аппаратам. Их применяют для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния.

    Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века в связи с потребностями тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таких, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при относительно высоком давлении. Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В настоящее время их конструкция в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной. В те же годы началось широкое промышленное применение кожухотрубных теплообменников в нефтяной промышленности. Для эксплуатации в тяжелых условиях потребовались нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Теплообменникам часто приходилось работать с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, и поэтому их необходимо было конструировать так, чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки.

    С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено прежде всего надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:

    • однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонам теплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением
    • диапазон давления от вакуума до высоких значений
    • в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов
    • удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата
    • размеры от малых до предельно больших (5000 м 2 )
    • возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению
    • использование развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и снаружи, различных интенсификаторов и т.д.
    • возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта

    Однако такое широкое разнообразие условий применения кожухотрубных теплообменников и их конструкций никоим образом не должно исключать поиск других, альтернативных решений, таких, как применение пластинчатых, спиральных или компактных теплообменников в тех случаях, когда их характеристики оказываются приемлемыми и их применение может привести к экономически более выгодным решениям.

    Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Классическая схема кожухотрубчатого теплообменника показана на рисунке:

    Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Так, конденсатор паровой турбины мощностью 150 Мвт состоят из 17 тысяч труб с общей поверхностью теплообмена около 9000 м 2 .

    Схемы кожухотрубчатых аппаратов наиболее распространенных типов представлены на рисунке:

    Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина стенки кожуха определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но принимается не менее 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата.

    Трубчатка кожухотрубчатых теплообменников выполняется из прямых или изогнутых (U-образных или W-образных) труб диаметром от 12 до 57 мм. Предпочтительны стальные бесшовные трубы.

    В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при равных расходах теплоносителей с одинаковым фазовым состоянием коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает общий коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве кожухотрубчатого теплообменника способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению эффективности теплообмена.

    Читайте также:  Уличная печь своими руками

    Трубные доски (решетки) служат для закрепления в них пучка труб при помощи развальцовки, разбортовки, заварки, запайки или сальниковых креплений. Трубные доски приваривают к кожуху (рис. а, в), зажимают болтами между фланцами кожуха и крышки (рис. б, г) или соединяют болтами только с фланцем свободной камеры (рис. д, е). материалом досок служит обычно листовая сталь толщиной не менее 20 мм.

    Кожухотрубчатые теплообменники могут быть жесткой (рис. а, к), нежесткой (рис. г, д, е, з, и) и полужесткой (рис. б, в, ж) конструкции, одноходовые и многоходовые, прямоточные, противоточные и поперечноточные, горизонтальные, наклонные и вертикальные.

    На рисунке а) изображен одноходовой теплообменник с прямыми трубками жесткой конструкции. Кожух и трубки связаны трубными решетками и поэтому нет возможности компенсации тепловых удлинений. Такие аппараты просты по устройству, но могут применяться только при сравнительно небольших разностях температур между корпусом и пучком труб (до 50 о С). Они имеют низкие коэффициенты теплопередачи вследствие незначительной скорости теплоносителя в межтрубном пространстве.

    В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения трубок. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению коэффициента теплопередачи. На рисунке 1,б изображен теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве и полужесткой мембранной компенсацией тепловых удлинений вследствие некоторой свободы перемещения верхней трубной доски.

    В парожидкостных теплообменниках пар проходит обычно в межтрубном пространстве, а жидкость – по трубам. Разность температур стенки корпуса и труб обычно значительна. Для компенсации разности тепловых удлинений между кожухом и трубами устанавливают линзовые (рис. в), сальниковые (рис. з, и) или сильфонные (рис. ж) компенсаторы.

    Для устранения напряжений в металле, обусловленных тепловыми удлинениями, изготавливают также однокамерные теплообменники с гнутыми U- и W-образными трубами. Они целесообразны при высоких давлениях теплоносителей, так как изготовление водяных камер и крепление труб в трубных досках в аппаратах высокого давления – операции сложные и дорогие. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут получить широкого распространения из-за трудности изготовления труб с разными радиусами гиба, сложности замены труб и неудобства чистки гнутых труб.

    Компенсационные устройства сложны в изготовлении (мембранные, сильфонные, с гнутыми трубами) или недостаточно надежны в эксплуатации (линзовые, сальниковые). Более совершенна конструкция теплообменника с жестким креплением одной трубной доски и свободным перемещением второй доски вместе с внутренней крышкой трубной системы (рис. е). некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса и изготовления дополнительного днища оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Эти аппараты получили название теплообменников «с плавающей головкой». Теплообменники с поперечным током (рис. к) отличаются повышенным коэффициентом теплоотдачи на наружной поверхности вследствие того, что теплоноситель движется поперек пучка труб. При перекрестном токе снижается разность температур между теплоносителями, однако при достаточном числе трубных секций различие в сравнении с противотоком невелико. В некоторых конструкциях таких теплообменников при протекании газа в межтрубном пространстве и жидкости в трубах для повышения коэффициента теплоотдачи применяют трубы с поперечными ребрами.

    Принцип работы и устройство кожухотрубных теплообменников

    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 кожухотрубчатые) 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.

    Устройство кожухотрубного 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.

    Принцип работы кожухотрубного 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.

    Виды кожухотрубчатых теплообменников

    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.

    Вывод и рекомендации

    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.

    Ссылка на основную публикацию