Аппараты теплообменные кожухотрубчатые. Кожухотрубные теплообменники: конструкция, технические характеристики, производство

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

Теплообменный агрегат

Виды и типы кожухотрубных теплообменников

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

перекрестноточными;
противоточными;
прямоточными.

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

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

Преимущества кожухотрубных теплообменников

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

Теплообменник

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

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

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

Недостатки кожухотрубных агрегатов

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

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

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

Металический теплообменник

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».

Кожухотрубный теплообменник: технические характеристики и принцип работы

5 (100%) голосов: 3

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

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

Получили такое название благодаря наличию кожуха, скрывающего внутренние трубы.

Устройство и принцип действия

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

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

Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника

Преимущества и недостатки

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

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

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

Кожухотрубные теплообменники в промышленности

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

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

Виды и типы кожухотрубных теплообменников

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

Выделяют следующие виды по этому критерию:

прямоточный;
противоточный;
перекресточный.

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

Учитывая данные характеристики, кожухотрубные теплообменники бывают следующих типов:

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

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

Расчет параметров

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

Формула расчёта площади кожухотрубчатого теплообменника

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

Для проведения теплового расчета кожухотрубного теплообменника необходимы следующие показатели:

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

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

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

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

Эксплуатация трубчатого теплообменника

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

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

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

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

Для диагностики кожухотрубного теплообменника используется метод гидравлических испытаний.

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

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

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.

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.

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.

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 сторонамтеплообменника 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.

В кожухотрубчатом теплообменнике один из теплоносителей протекает по трубам, другой – по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стеной труб.

Кожухотрубчатые теплообменники бывают одноходовыми, здесь оба теплоносителя не меняя направления движутся по всему сечению (один по трубному, другой по межтрубному), и многоходовыми, в которых потоки с помощью дополнительных перегородок последовательно меняют направление, тем самым, увеличивая коэффициент теплоотдачи и скорость потока.

Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой.

Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки, как в трубном, так и в межтрубном пространствах.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции. Один из вариантов такого теплообменника представлен на рисунке 1.2.1.

Рис. 1.2 - Кожухотрубчатый теплообменник

Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров.

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.

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.

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 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 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 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.

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.