Кожухотрубный теплообменник: принцип работы, устройство, преимущества и недостатки, маркировка

Сферы использования

Производство этих устройств началось ещё в начале ХХ века. Это было связано с тем, что тепловые станции нуждались в подогревателях с большой поверхностью, функционирующих при высоком давлении.

Кожухотрубные подогреватели применяются во многих отраслях, среди которых:

• нефтегазовая промышленность;
• химические производства;
• пищевая отрасль.

Практически каждое производство связано с выделением или поглощением тепла, поэтому теплообменные устройства являются востребованными в самых разных сферах человеческой деятельности. От их конструкции и свойств зависит производительность оборудования на предприятиях, а также функционирование бытовых кондиционеров и обогревателей, радиаторов охлаждения в автомобилях и т. д.

Обратите внимание!Подогреватели такого типа чаще всего используются для охлаждения рабочих жидкостей и нагрева хладагента для работы тепловых насосов.

Кожухотрубные теплообменники широко используются в качестве конденсаторов, а также испарителей. На сегодняшний день благодаря развитию промышленных технологий конструкция теплообменников стала более совершенной и продолжает модернизироваться.

Основные элементы конструкции кожухотрубчатого теплообменника

Роль корпуса выполняет обечайка, к которой и крепятся трубчатые решетки. Для разделения трубного и межтрубного пространства производители используют специальные крышки. В трубчатой решетке максимально прочно фиксируется пучок из труб. Подобный тип конструкции характерен для всех моделей кожухотрубчатого теплообменника.

Обычно данное оборудование используется для проведения разнообразных операций с применением газообразных и жидких агентов. При этом эффективность техники может быть увеличена посредством изменения конструкции. Допустим, для увеличения интенсивности отдачи тепла стандартные трубы меняют на диафрагмированные аналоги. А для повышения турбулентности потоков устанавливают специальные перегородки в пространстве между трубами.

Область применения

Основным потребителем кожухотрубных теплообменников являются жилищно-коммунальные службы. Аппараты широко используются для комплектации инженерных коммуникаций. Теплосети активно применяют устройства для обеспечения горячего водоснабжения. По возможности, обустраиваются индивидуальные тепловые пункты, эффективность которых значительно выше, чем эффективность централизованных магистралей.

Кожухотрубные преобразователи тепловой энергии получили широкое распространение в нефтеперерабатывающей отрасли, химическом и газовом секторах. Востребованы аппараты и в теплоэнергетике. Кроме того, устройства незаменимы в пивоваренной и пищевой промышленности. Нередко кожухотрубчатые теплообменники используются в качестве конденсаторов, утилизаторов тепловой энергии отработанных газов и подогревателей.

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.

Виды кожухотрубчатого теплообменника

Высокий спрос на кожухотрубчатое оборудование напрямую связан с упрощенной конструкцией, которая, впрочем, никак не влияет на эффективность эксплуатации. Классифицировать технику можно по трем видам (в зависимости от конструкции):

• Тип ТН. Основная особенность оборудования: плотно закрепленные решетки и жесткий кожух.
• Тип ТК. Техника оснащена тепловым компенсатором.
• Тип ТП. Модель оборудована плавающей головкой.

Функции оборудования зависят именно от типа. Их приобретают для выполнения роли холодильной техники, испарителя, подогревателя или конденсатора. При выборе первостепенное значение имеет количество ходов в модели. От этого зависят такие параметры, как скорость перемещения носителя и показатель коэффициента отдачи тепла. Производители предлагают оборудование с 2, 4, 6 и 12 ходами.

Рассмотрим каждый из трех видов кожухотрубчатого теплообменника подробно с акцентом на конструктивные особенности.

Модели типа ТН

Оборудование оснащено распределительной камерой, штуцерами для ввода и вывода теплоносителя, перегородкой, кожухом, трубными пучками, стяжкой, опорой, отбойником и фланцами. При этом трубные элементы техники максимально прочно закреплены к решеткам, которые зафиксированы на кожухе. Такая конструкция позволяет удлинить кожух, за счет чего создается разница температур. Это и обеспечивает температурные напряжения в соединительных зонах.

Что касается разности температур, здесь все зависит от материалов, которые производитель применяет при изготовлении, параметров кожуха, показателя давления. Обычно оборудование типа ТН имеет температурный диапазон от 30 до 40 градусов. Это оптимальные показатели.

Модели типа ТК

Данные агрегаты имеют важную отличительную особенность – в них присутствует компенсатор. Он призван компенсировать температурные изменения в трубных элементах конструкции.

Из-за разницы температур меняется степень удлинения кожуха. Вследствие понижения или повышения температуры трубный пучок становится короче или длиннее. Это и является главной причиной появления температурных напряжений. И тепловой компенсатор призван снизить именно эти температурные напряжения. Благодаря этому устройство работает продуктивнее и эффективнее.

В моделях типа ТК допустима разница в температурах, которая приводит к изменению удлинения кожуха в пределах одного сантиметра.

Модели типа ТП

С одной стороны, конфигурация данного оборудования не сильно изменена, если сравнивать со стандартной техникой. Тот же кожух, трубный пучок, штуцера. С другой стороны, наличие плавающей головки позволяет беспрепятственно удлинять трубы. Это происходит за счет свободного перемещения внедряемого в конструкцию элемента.

Устройство и принцип действия

Кожухотрубчатый теплообменник включает в себя несколько элементов конструкции. Рассмотрим основные из них:

• кожух (корпус);
• распределительная и направляющая камеры;
• внутренняя система трубок;
• трубные решётки;
• перегородки и уплотнения.

Данная модель устройства отличается наличием кожуха, который скрывает внутренние трубы, отсюда и название — «кожухотрубный»

К корпусу привариваются два патрубка. Один из них отвечает за подвод рабочей среды, а другой — за вывод. В торцы кожуха приваривают специальные фланцы.

Кроме этого, в состав такого подогревателя входят трубные решётки, между которыми привариваются трубы, оснащённые дистанционными решётками. Такая конструкция образует трубную систему рекуператора и позволяет обогревателю быть многоходовым.

В дно рекуператора вставляются два патрубка, которые так же, как и патрубки корпуса выполняют подводящую и выводящую функцию. Дно рекуператора оснащено фланцами. Фланцы рекуператора являются ответными фланцам корпуса. Трубная система такого устройства вставляется в корпус. Решётки фиксируются с помощью специальных уплотнительных элементов и болтов между фланцами рекуператора и корпуса. Это позволяет, в случае необходимости, беспрепятственно выполнить ремонт любого элемента кожухотрубного устройства.

Принцип действия подогревателя такого типа заключается в следующем: горячая и холодная среда циркулирует по двум различным каналам. Сам процесс передачи тепла осуществляется между стенками этих каналов.

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.

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

Технические нюансы

1. Следует подчеркнуть, что на схемах 1 и 2 представлена работа двухходового теплообменника (теплоноситель проходит по пучку труб в два хода – прямым и обратным потоком). Таким образом, достигается улучшенная теплоотдача при той же длине труб и корпуса обменника; правда, при этом увеличивается его диаметр за счёт увеличения количества труб в трубном пучке. Есть более простые модели, у которых теплоноситель проходит сквозь трубный пучок лишь в одном направлении:

Рисунок 4. Принципиальная схема одноходового теплообменника.Кроме одно- и двухходовых теплообменников, существуют также четырёх- шести- и восьмиходовые, которые используются в зависимости от специфики конкретных задач.

2. На анимированной схеме 2 представлена работа теплообменника с установленными внутри кожуха перегородками, направляющими поток теплоносителя по зигзагообразной траектории. Таким образом, обеспечивается перекрёстный ход теплоносителей, при котором «внешний» теплоноситель омывает трубы пучка перпендикулярно их направленности, что также повышает теплоотдачу. Существуют модели с более простой конструкцией, у которых теплоноситель проходит в кожухе параллельно трубам (см. схемы 1 и 4).

3. Поскольку коэффициент теплопередачи зависит не только от траектории потоков рабочих сред, но и от площади их взаимодействия (в данном случае – от совокупной площади всех труб трубного пучка), а также от скоростей теплоносителей, можно увеличить теплоотдачу за счёт применения труб со специальными устройствами – турбулизаторами.

Рисунок 5. Трубы для кожухотрубчатого теплообменника с волнообразной накаткой.Применение таких труб с турбулизаторами в сравнении с традиционными цилиндрическими трубами позволяет увеличить тепловую мощность агрегата на 15 – 25 процентов; кроме того, за счёт возникновения в них вихревых процессов, происходит самоочистка внутренней поверхности труб от минеральных отложений.

Следует заметить, что характеристики теплоотдачи в значительно мере зависит от материала труб, который должен обладать хорошей теплопроводностью, способностью выдерживать высокое давление рабочей среды и быть коррозионно стойким. По совокупности этих требований для пресной воды, пара и масла наилучшим выбором являются современные марки высококачественной нержавеющей стали; для морской или хлорированной воды – латунь, медь, мельхиор и т.д.

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.

Принципы маркировки теплообменных аппаратов

В настоящее время условные обозначения кожухотрубчатых теплообменников согласуют с международным стандартом ТЕМА в котором отражены основные принципы маркировки этого вида оборудования.

Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Расчет кожухотрубного теплообменника подразумевает проведение ряда отдельных расчетов, имеющих целью определить необходимую площадь поверхности теплообмена – значит определить необходимую поверхность теплообменника и подобрать теплообменник в соответствии с ГОСТом.

Для определения требуемой площади поверхности теплопередачи необходимо выполнить следующие виды расчетов:

1. Тепловой расчет.
2. Расчет температурных режимов.
3. Расчет физических параметров рабочей среды.
4. Расчет коэффициента теплопередачи.
5. Расчет параметров теплообменника.

Более подробную информацию, касающуюся методики проведения указанных расчетов, можно найти на соответствующих сайтах в интернете или в специальной литературе.

Увеличение коэффициента теплообмена

Промышленность не стоит на месте — постоянно происходит модернизация теплообменных устройств. Улучшение технических характеристик достигается благодаря использованию следующих способов:

• создание турбулентных потоков;
• выполнение спиралевидных вставок, благодаря которым образуется продольное и поперечное обтекание трубок;
• производство профильных и витых труб;
• использование смесей, в которые входят жидкости и газы;
• создание вибрации поверхностей, которые отвечают за теплообмен;
• пульсирующая подача рабочей среды.

Вышеперечисленные методы позволяют увеличить коэффициент теплоотдачи. Распространено также использование нескольких методов одновременно. Такая комбинация способна значительно повысить эксплуатационные характеристики кожухотрубного подогревателя в 2–3 раза. Стоит также отметить, что некоторые методы не только увеличивают показатели теплоотдачи, но и могут выполнять другие полезные функции. Например, турбулентные потоки препятствуют образованию солевых отложений на внутренних стенках труб, что позволяет исключить сужение просвета трубок.

Постоянное усовершенствование конструкции теплообменника позволяет увеличить теплоотдачу и повысить эксплуатационные характеристики

Эксплуатационные характеристики

К достоинствам трубчатоготеплообменника 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.

Где купить надежное оборудование?

Если Вы желаете приобрести надежный, производительный и вместе с тем недорогой кожухотрубчатый теплообменник, обращайтесь в компанию ООО «СЛС Сервис». Для того чтобы уточнить стоимость оборудования, свяжитесь с нашими консультантами. Они помогут не только выбрать подходящую технику, но и расскажут обо всех ее преимуществах и особенностях эксплуатации. Заявку на покупку оборудования можно оставить непосредственно на сайте.

Важно: наши специалисты практикуют индивидуальный подход. Вы можете подобрать теплообменное оборудование в зависимости:

• От бюджета.
• От условий эксплуатации.
• От технических характеристик модели.

Профессиональная помощь сотрудника компании гарантирует правильный выбор агрегата. Плюс дополнительно специалисты консультируют по вопросам эксплуатации моделей.

Наша компания действует в различных городах страны. География компании охватывает не только центральные регионы, но и отдаленные субъекты РФ. Например, оформить заказ могут жители Тюмени и Перми.

Обратите внимание, что компания изготавливает оборудование на заказ в полном соответствии со строгими стандартами ГОСТ. Это гарантирует качество работы агрегатов и безопасность их эксплуатации. Клиентам доступна возможность заказа нестандартного оборудования. Для этого необходимо отправить индивидуальную схему агрегата нашим сотрудникам. Специалисты готовят чертеж, советуясь с заказчиком. После его составления называется стоимость изготовления теплообменного оборудования. Если клиента цена устраивает, мастера приступают к производству техники.

Таким образом, схема сотрудничества проста:

• Предоставление профессиональной консультации.
• Выбор чертежа. Вы можете послать нам свою схему.
• Обсуждение условий. На данном этапе называется точная стоимость изготовления оборудования.
• Составление договора.
• Производство оборудования.
• Ознакомление с продукцией, тестирование, оплата.

Полезные советы для выбора теплообменника

Программа расчета кожухотрубчатого теплообменника требует четко сформулированных исходных данных. Чтобы работа рекуператора была безупречной, а остановки на ремонт редкими, нужна верно заданная схема.

Есть несколько особенностей, которые очень важны для расчета. Это:

• Скорость теплоносителей. Так, для жидких теплоносителей ω =0,6…6 м/с, для газообразных ω = 3-30 м/с. Чем выше скорость, тем выше тепловая мощность теплообменника. Но при этом растет и расход электроэнергии (нагрузка) на питательный насос, которому нужно «продавить» среду по системе. Чаще всего скорости сознательно занижают.
• При выборе диаметра и материала трубного пучка нужно учесть:
  • качество воды (пара). Шлак и накипь снизят теплопередачу и тепловую мощность рекуператора.
  • чем хуже условия, в которых будет проходить работа теплообменника, тем лучше должна быть сталь, из которой он будет сделан. Если придется делать промывку кислотой, то без нержавейки тут не обойтись. Лучше раз потратиться на изготовление, чем постоянно останавливать рекуператор на ремонт.
• Ограничение по габаритам. Его размеры не должны превышать максимально возможные транспортировочные габариты.
• Ремонтопригодность. После монтажа перед рекуператором должно быть достаточно пространства, чтобы можно было произвести ремонт кожухотрубных теплообменников (вынуть трубную систему из кожуха). Работа сварщиков тоже требует пространства для маневра. Если это невозможно, то рекомендуется конструкция (схема), показанная на рис. 5.
• Удобство эксплуатации. Его конструкция должна предусматривать свободный подход к задвижкам, приборам контроля, фланцам.
• Технология изготовления. Сама работа (технология) и сортамент материалов накладывает определенные ограничения. Так, например, очень трудно будет найти лист толщиной 9 мм, в то время как 10 мм можно купить у любой фирмы. Выточить много деталей — дорого. Желательно такие элементы конструкции сразу менять. И т. д. и т. п.

Рис. 5 Конструкция теплообменника в стесненной компоновке

Изначально неверный расчет рекуператора и выбор неподходящей схемы — главные причины, из-за которых происходит ремонт теплообменного аппарата. Программа по расчету теплообменных аппаратов существенно ускорит процесс расчета, и снизит процент ошибки до нуля. Простой интерфейс программы будет понятен даже начинающему расчетчику.

Советы по эксплуатации

Для обеспечения эффективной и продолжительной работы теплообменного аппарата необходимо неукоснительно соблюдать приведенные ниже правила эксплуатации кожухотрубных теплообменников:

1. Руководство предприятия или организации обязаны содержать агрегат в строгом соответствии с нормами Правил Госгортехнадзора, обеспечивать безопасность техобслуживания и надежную работу устройства.
2. Лица, ответственные за безопасность работы теплообменника, назначается соответствующим приказом по предприятию из числа технического персонала предприятия или организации.
3. К техническому обслуживанию установки могут быть допущены лица, достигшие 18 летнего возраста, прошедшие медкомиссию, производственное обучение, проверку знаний в квалификационной комиссии и вводный инструктаж по правилам техники безопасности при техническом обслуживании теплообменников. Правила обслуживания должны быть размещены в пределах видимости рабочего.
4. Преобразователь тепловой энергии нуждается в постоянном контроле технического состояния и регулярной очистке от различных загрязнений. Периодичность проверки для систем горячего водоснабжения составляет 6 месяцев. Теплообменники, работающие в отопительных системах, подлежат проверке не реже одного раза в год.
5. При проведении ремонтных работ и технического обслуживания следует отсоединить переходы и калачи с агрегата, внимательно осмотреть и при необходимости, прочистить трубки с кольцевыми канавками спиральным упругим ершом, после чего тщательно промыть проточной водой. При использовании других методов очистки (химической или гидродинамической) необходимо неукоснительно соблюдать правила проведения очистных работ. В случае протекания теплообменных трубок, поврежденные элементы должны быть своевременно заменены новыми. Прокладки тоже должны быть заменены на новые. По окончанию осмотра, технического обслуживания и ремонтных работ, теплообменник в обязательном порядке подвергают гидравлическим испытаниям. Результат работ фиксируется в техническом паспорте установки.

Категорически запрещается включать теплообменник если:

• давление в системе превышает допускаемое;
• при обнаружении неисправностей в системе предохранительных клапанов;
• в элементах агрегата будут выявлены трещины, вздутия, утончение стенок, утечка теплоносителя через сварные швы, трубки и фланцевые соединения;
• при выходе из строя манометров.

Соблюдение этих правил обеспечит эффективную и длительную работу кожухотрубчатого теплообменника.

Благодаря простоте конструкции, надежности и длительному сроку службы, кожухотрубные теплообменники получили широкое распространение в различных областях промышленности. Наибольшее распространение установки получили в нефтеперерабатывающей и химической промышленности, однако нередко используются и в других областях народного хозяйства. Одним из главных достоинств кожухотрубчатых агрегатов является простота эксплуатации и технического обслуживания.