Все о кожухотрубных теплообменниках. Как работает теплообменник кожухотрубный.

Описание: Съемный трубный пучок, внешняя монтажная решетка, трубный лист может быть изготовлен из кованой стали для соответствия требованиям расчетного давления в трубном пучке, максимально допустимое давление в трубках составляет 3000 psi, трубный пучок полностью закрыт.

Кожухотрубный теплообменник: устройство и принцип работы

Кожухотрубные теплообменники — это устройства, используемые для передачи тепла между двумя независимыми контурами нагрева — горячим и холодным. Процесс теплопередачи включает в себя движение жидкостей в различных полостях, преимущественно выбирается противоточный поток. Горячая среда передает тепло холодной среде через стенки трубок теплообменника.

Кожухотрубные теплообменники

Кожухотрубные теплообменники появились в середине XIX века и получили свое название от тонких трубок в центре кожуха, поскольку количество трубок влияет на поверхность теплообмена и, следовательно, на производительность аппарата. Их развитие было обусловлено потребностью в теплообменниках с высокой скоростью потока и высоким давлением. Сначала они использовались в системах отопления, а затем в качестве компонентов испарителей и нагревателей в нефтяной промышленности. Эти аппараты часто используются с загрязненными средами, поэтому их легко ремонтировать и чистить.

С течением времени кожухотрубные теплообменники стали наиболее часто используемым типом устройств. В основном это объясняется надежностью конструкции и широким выбором версий для различных условий эксплуатации:

• 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

В настоящее время они являются наиболее часто используемыми устройствами в промышленности и быту.

Устройство кожухотрубного теплообменника

Кожухотрубный теплообменник состоит из:

• распределительной камеры,с патрубками входа и выхода среды;
• кожух (корпус) теплообменника с патрубками входа и выхода среды;
• теплообменные трубки;
• трубные решетки;
• задняя(разворотная) камера

Конструкция кожухотрубного теплообменника:

Теплообменник дополнительно оснащен кронштейнами, позволяющими производить горизонтальный монтаж, а также опорными кронштейнами.

Принцип работы кожухотрубного теплообменника прост. В аппарате разделяются среды, смешивание продуктов внутри аппарата не происходит. Тепло передается по трубкам, которые расположены между теплоносителями. Один находится внутри трубок, другой передается в область между трубками под давлением. Энергоносители могут различаться по своему общему состоянию — газы, пары или жидкости.

Виды и типы кожухотрубных теплообменников

Диаметр теплообменников может составлять от 159 до 3000 мм, а длина — от 0,1 до десятков метров. Максимальное давление составляет 160 кг/см2. Существуют следующие типы аппаратов:

Со встроенными трубчатыми решетками. Конструкция предусматривает жесткое соединение всех компонентов. Эти установки в основном используются в нефтяной и химической промышленности. Они составляют три четверти предложения на рынке. Характерной особенностью этого типа являются приваренные внутри корпуса трубные решетки, к которым прочно крепятся трубы. Такое крепление предотвращает проскальзывание фитингов внутри корпуса.

Агрегаты делятся на различные типы в зависимости от направления движения:

1. Одноточные.
2. Противоточные.
3. Перекресточные.

Агрегаты бывают однозаходными или многозаходными. В первом типе среда перемещается на небольшое расстояние; примером может служить водонагреватель BBP, используемый в системах отопления. Он подходит для помещений, где интенсивность теплообмена незначительна (разница температур между окружающей средой и теплоносителем минимальна). Второй тип оснащен поперечными или продольными перегородками, которые обеспечивают перенаправление потока среды. Многоходовые аппараты используются, когда важна высокая скорость теплообмена.

Что такое кожухотрубный теплообменник?

Кожухотрубные теплообменники — это устройства, используемые для передачи тепловой энергии между двумя рабочими средами — горячей и холодной. Суть теплообмена заключается в передаче тепловой энергии от теплоносителя, движущегося по трубкам теплообменника, к холодной рабочей среде, движущейся в противоположном направлении в полости корпуса. Во время движения нагретая рабочая среда передает тепло холодной рабочей среде через стенки трубок теплообменника.

Основным потребителем кожухотрубных теплообменников является жилой и коммунальный сектор. Аппараты часто используются для интеграции коммунальных сетей. Тепловые сети активно используют агрегаты для производства горячей воды. Там, где это возможно, устанавливаются индивидуальные теплообменники, эффективность которых значительно выше, чем у сети.

Кожухотрубные теплообменники широко используются в нефтяной, химической и газоперерабатывающей промышленности. Они также пользуются большим спросом в тепло- и электроэнергетике. Они также незаменимы в пивоваренной и пищевой промышленности. Кожухотрубные теплообменники часто используются в качестве конденсаторов, теплообменников отходящих газов и подогревателей.

Конструкция и принцип работы

Кожухотрубный теплообменник имеет простую и надежную конструкцию и обеспечивает легкий доступ к основным компонентам для технического обслуживания и ремонта. Принцип работы рассматриваемого здесь устройства также очень прост. Рассмотрим подробнее устройство и принцип работы кожухотрубных теплообменников.

Конструкция теплообменника

В общем случае кожухотрубный теплообменник состоит из следующих компонентов:

• распределительной камеры с входным и выходным патрубками;
• оболочки, имеющей впускной и выпускной патрубки;
• теплообменных труб;
• трубных решеток;
• задней (разворотной) камеры.

Основным преимуществом кожухотрубных теплообменников и главной причиной их популярности является простая и надежная конструкция. Кожухотрубный теплообменник состоит из распределительной камеры с теплообменными трубами, кожуха, который обычно имеет цилиндрическую форму, и специальных решеток.

На концах кожуха расположены крышки, которые полностью герметизируют корпус аппарата. Кронштейны, входящие в комплект поставки, позволяют легко разместить теплообменник в горизонтальном положении. Кроме того, имеются кронштейны, позволяющие расположить устройство по желанию заказчика.

Увеличение скорости теплопередачи может быть достигнуто за счет использования оребренных труб. Если необходимо снизить скорость теплопередачи, трубки покрываются специальной теплоизоляцией. Таким образом, можно значительно увеличить аккумулирующую способность системы. В некоторых случаях применяются специальные конструктивные решения, когда используются две трубы: труба меньшего диаметра вставляется в трубу большего диаметра.

Площадь теплообмена кожухотрубных теплообменников может составлять от 300 см2 до нескольких тысяч квадратных метров. В конденсаторе современной паровой турбины мощностью 300 МВт более 20 000 трубок, а общая площадь теплообмена составляет около 15 000 м 2 .

Корпус теплообменника изготовлен из толстого стального листа толщиной не менее 4 мм. Сетки изготовлены из такого же высококачественного материала, но с минимальной толщиной 20 мм. Основным элементом конструкции является набор труб. Материал, из которого изготовлены трубы, должен обладать высокой теплопроводностью, чтобы устройство работало эффективно. Положение пучка труб внутри кожуха определяется одной или несколькими решетками.

Принцип действия

Принцип работы кожухотрубного теплообменника довольно прост. Среды внутри кожухотрубного теплообменника разделены таким образом, чтобы они не смешивались друг с другом. Теплообменными элементами являются трубки, расположенные между двумя рабочими средами.

Одна из теплоносителей движется внутри трубок, а другая находится под давлением между трубками. Кожухотрубные теплообменники могут использоваться во всех состояниях конденсации: пар, газ, жидкость или их комбинация.

Типы кожухотрубных теплообменников

Кожухотрубные теплообменники могут иметь диаметр от 159 до 3 000 мм и общую длину от 0,1 до нескольких десятков метров. Максимальное давление в системе может достигать 160 кг/см2. В настоящее время наиболее распространены следующие типы теплообменников:

• со встроенными трубными решетками. Конструкция таких устройств предусматривает жесткую сцепку всех деталей и узлов, входящих в состав агрегата. Основная область использования эти установок нефтеперерабатывающая и химическая промышленность. Такие теплообменники составляют 75% рыночных предложений. У рассматриваемого типа кожухотрубных теплообменников решетки труб приварены к внутренней поверхности кожуха, а тубы прочно скреплены с решетками. Такая компоновка обеспечивает надежную фиксацию и лишает элементы конструкции возможности свободного перемещения внутри кожуха;
• с температурным компенсатором. Такие кожухотрубные аппараты с помощью продольной деформации или благодаря особым упругим вставкам, расположенных в расширителе возмещают тепловое расширение. Такая конструкция относится к классу полужестких;
• с плавающей головкой. Под плавающей головкой имеется ввиду подвижная трубная решетка. Такая решетка имеет возможность свободного перемещения по системе вместе с крышкой. Аппарат отличается высокой стоимостью, однако этот недостаток полностью компенсируется высокой производительностью и надежностью;
• С U-образной формой труб. В таких конструкциях оба конца трубы привариваются к одной решетке. Радиус изгиба трубы должен быть не менее 4 его диаметров. Такое конструктивное решение позволяет трубам свободно удлиняться;
• С комбинированным наполнением. Конструкция таких аппаратов предусматривает наличие компенсатора. Кроме того, в их состав входит встроенная плавающая головка.

Кожухотрубные теплообменники можно разделить на 3 типа в зависимости от направления движения теплоносителя:

• Одноточные.
• Противоточные.
• Перекрестноточные.

Теплообменники могут быть однонаправленными или двунаправленными.

В однонаправленных аппаратах теплоноситель циркулирует в замкнутом контуре. Примером может служить водонагреватель BBP, который широко используется в системах отопления. Такие устройства используются там, где интенсивность теплообмена не имеет принципиального значения (температура окружающей среды не сильно отличается от температуры теплоносителя).

Многоходовые аппараты имеют поперечные или продольные перегородки, которые позволяют изменять направление потока хладагента. Такие теплообменники используются в тех областях, где интенсивность теплообмена особенно важна.

Устройство и принцип работы

Кожухотрубный теплообменник состоит из пучков труб, прикрепленных к трубным решеткам, состоящим из кожухов, обечаек и опор. Принцип работы очень прост. Функциональная система основана на движении горячего и холодного хладагента по различным каналам. В результате между стенками каналов происходит теплообмен. В распределительных камерах находятся входные и выходные патрубки для рабочей среды. Задняя часть агрегата является реверсивной. Опционально блок оснащается кронштейнами и монтажными опорами, которые позволяют устанавливать систему как вертикально, так и горизонтально.

Функция основной конструкции заключается в обеспечении внутреннего теплообмена без смешивания используемых продуктов. Опоры разделены и в блоке установлены перегородки. Тепло передается по различным трубам. Один из теплоносителей находится внутри трубы. Другой подается под давлением в пространство между трубами. Кумулятивное состояние носителей различно. Колпачки расположены на концах оболочки. Они полностью герметизируют ее. Для дополнительного монтажа могут поставляться кронштейны. Интенсивность теплопередачи увеличивается за счет труб со специальными ребрами. Если необходимо уменьшить теплопередачу, трубки снабжаются теплоизоляцией.

Это увеличивает аккумулирующую способность устройства. Иногда для системы может быть использовано специальное конструктивное решение. В этом случае используются трубы разного диаметра.

Плюсы и минусы

Популярность кожухотрубных теплообменников обусловлена рядом преимуществ. Их прочное положение на отечественном рынке обусловлено высокой устойчивостью к гидроударам. Они очень устойчивы к скачкам давления и могут выдерживать значительные нагрузки. В то же время для их работы не требуется чистая среда. Они доказали свою эффективность при работе с жидкостями без предварительной обработки. В этом отношении они превосходят свои аналоги, которые не могут работать в загрязненной среде. Кроме того, эти устройства отличаются высокой эффективностью и износостойкостью.

Они долговечны и при надлежащем уходе и обслуживании могут эксплуатироваться в течение многих лет без перерыва. Они безопасны в использовании и ремонтопригодны. Они способны бесперебойно работать даже в агрессивных средах и стоят дешевле многих аналогичных моделей. В то же время они имеют и некоторые недостатки. Самые главные из них — габариты и вес. Это затрудняет не только транспортировку, но и установку системы. Их невозможно установить в каждом помещении. Кроме того, они очень требовательны к металлу. Это увеличивает их стоимость.

Их коэффициент теплопередачи сильно зависит от скорости движения среды. Со временем они могут застревать. Тем не менее, они являются лидерами в своем классе.

Разновидности

Кожухотрубные теплообменники можно классифицировать по-разному. Например, они различаются по диаметру, длине, техническим характеристикам и номинальному давлению. Они могут иметь диаметр от 15,9 до 30 см и длину от 10 см до нескольких десятков метров. Давление может достигать 160 кг/см2. Тип установки также различается. Популярны варианты со встроенными трубными решетками. Компоненты жестко соединены друг с другом. Это модификации с несъемными трубными решетками. Они жестко ввариваются в обсадную трубу и привариваются к трубам.

Эти устройства используются в нефтяной и химической промышленности. По обороту они составляют ¾ от общего ассортимента продукции. В ассортименте производителей есть также модели с температурными компенсаторами. Такие устройства называются полужесткими. В отличие от предыдущих типов, они оснащены резиновыми вставками в расширителе. Это позволяет компенсировать тепловое расширение.

Такие изделия имеют небольшой диаметр и работают при низком давлении. Несмотря на расширение диапазона рабочих температур, системы имеют ограниченную напорную способность. Наиболее распространенными типами теплообменников являются U-образные трубчатые варианты. Они имеют изогнутую форму, поскольку оба конца сварены в единую решетку с поворотом на 180 градусов и радиусом трубы 4 градуса. По этой причине трубы теплообменных систем также называют свободно вытянутыми трубами. Популярными вариантами являются модификации с плавающей головкой. Эти конструкции имеют подвижную решетку, которая перемещается внутри системы вместе с крышкой.

Эти модели считаются улучшенными версиями кожухотрубных теплообменников. Несмотря на более высокую стоимость, они пользуются большим спросом благодаря своей надежности. Помимо описанных выше типов, существуют также изделия с комбинированным заполнением. Они могут быть оснащены встроенной плавающей головкой и компенсатором. В зависимости от структуры трубок внутри горизонтального или вертикального устройства, они могут быть прямыми или спиралевидными. Разница между типами заключается в количестве трубных решеток. У первого типа их две. Второй имеет только одну решетку. Тип расположения определяет количество выходов устройства, через которые движется теплоноситель, заполняющий устройство.

Количество внутренних трубок определяет скорость движения. Чем больше элементов, тем больше поверхность теплообмена и тем выше эффективность. Такие устройства могут выдерживать более высокое давление.

По направлению передвижения

В зависимости от направления потока устройства делятся на 3 типа: Прямоточный, противоточный, перекрестный. Каждый тип имеет свои характеристики. Теплообменник может быть установлен не только вертикально и горизонтально, но и под определенным углом. Кроме того, теплообменник может работать в одном направлении, в двух направлениях или в нескольких направлениях (четыре или шесть направлений). В однонаправленной конструкции теплоноситель циркулирует в ограниченном контуре. Классическим примером является нагреватель BBP, который используется в системах отопления.

Эти устройства используются там, где интенсивность теплообмена не имеет большого значения. В этом случае значения температуры окружающей среды практически совпадают со значениями температуры теплоносителя. В однопроходном типе движение происходит по кратчайшему пути. Многоходовой тип оснащен поперечными перегородками. Это отклоняет поток теплоносителя. Они предлагаются для сложных условий эксплуатации и высоких скоростей теплопередачи. Трубчатые системы со стальными или графитовыми трубками выбираются для экстремальных условий.

Сферы применения

Кожухотрубные теплообменники первоначально были разработаны для крупных промышленных предприятий, где требовались нагреватели с большой площадью поверхности, способные работать под высоким давлением.

Существует несколько областей применения, где такие теплообменники используются наиболее часто:

• Пищевая отрасль.
• Химическая промышленность.
• Нефтегазовая отрасль.

Наиболее активным применением таких теплообменников является нагрев и охлаждение рабочих жидкостей и эффективная работа теплонасосных станций. Они используются в качестве испарителей и конденсаторов.

Советы по выбору и эксплуатации

Если производительность теплообменника недостаточна, можно значительно улучшить технические характеристики агрегата. Для этого существует несколько возможностей

• Использование специализированных смесей, в которые входят газы и жидкости.
• Установка витых и профильных трубок.
• Монтаж спиралевидных вставок. Они нужны для поперечного и продольного обтекания труб.
• Создание вибрация для тех поверхностей, через которые осуществляется теплообмен.

В основном современные производители широко используют такие методы, чтобы значительно повысить эффективность работы отопительного прибора.

Чтобы правильно выбрать кожухотрубный теплообменник, важно знать, как рассчитать его оптимальную производительность для ваших целей.

Прежде всего, необходимо решить, что должно циркулировать по трубкам — вода или газ. Для газообразных и жидких теплоносителей необходимо поддерживать разную скорость циркуляции. Например, для газа скорость должна составлять от 3 до 30 метров в секунду. Для жидкостей скорость должна составлять от 0,6 до 6 м/с.

Важно! Не следует забывать, что чем выше скорость циркуляции теплоносителя, тем выше затраты на электроэнергию. Поэтому можно немного уменьшить скорость, чтобы устройство работало немного экономичнее.

Во-вторых, определитесь с материалом труб, по которым циркулирует теплоноситель в теплообменнике. На выбор влияет тип среды. Например, для агрессивных сред рекомендуется выбирать теплообменник с трубами из нержавеющей стали.

В-третьих, важным моментом при выборе является размер нагревателя. Поскольку кожухотрубные теплообменники обычно имеют большие размеры, важно заранее подготовить место для установки, чтобы к устройству был доступ со всех сторон.

Что касается эксплуатации, то этот тип теплообменников беспроблемный. Что касается поломок, то эксперты рекомендуют приобретать кожухотрубные теплообменники со сменными трубками, поскольку это самый ненадежный элемент конструкции, который чаще всего выходит из строя. Важно знать, что после поломки и последующего ремонта тепловая эффективность агрегата снижается.

Не рекомендуется проводить ремонт самостоятельно. Лучше вызвать профессионала, имеющего опыт ремонта подобного оборудования. В противном случае можно повредить конструкцию и значительно снизить производительность кожухотрубного теплообменника.

Назначение, плюсы и минусы

Кожухотрубные теплообменники используются в химической промышленности, в машиностроении, на газо- и нефтеперерабатывающих заводах, в пищевой промышленности.

Области применения теплообменников включают:

• химическая промышленность;
• обогрев бассейнов;
• солнечные коллекторы;
• машиностроение;
• вентиляционные системы;
• пищевая промышленность;
• металлургия.

За прошедшие годы агрегаты получили широкое распространение благодаря своей надежной конструкции и различным вариантам моделей. К наиболее важным усовершенствованиям агрегатов относятся следующие

• диапазон давления увеличился – от вакуума до высоких значений;
• требования по термическим напряжениям полностью удовлетворены;
• возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта;
• использование различных видов интенсификаторов;
• применение разных материалов, которые стойкие к коррозии, работают в разных температурных режимах и давлению;
• конденсация и кипение по горячей и холодной сторонам теплообменника.

Система может быть спроектирована от теплообменника для бытовой ванной комнаты до промышленного теплообменника. Очистка рабочей среды не требуется. Отдельные секции труб могут быть сняты для очистки и ремонта.

Кожухотрубные теплообменники обладают рядом преимуществ:

• высокая устойчивость к гидроударам;
• возможность работы в условиях сильно загрязненных сред;
• высокий уровень эффективности;
• большая теплообменная площадь;
• низкая энергозатратность;
• безопасное использование.

Но есть и ряд недостатков: Они очень требовательны к металлу, что приводит к высокой стоимости теплообменника. Эти устройства довольно часто ломаются и требуют тщательного ремонта.

Выбор устройств

При выборе бытовой техники следите за тем, чтобы покупать только качественные изделия с высокой производительностью. Важно учитывать материал, который будет долговечным и износостойким. Обращайте внимание на размеры агрегатов. При выборе агрегатов учитывайте параметры изделий:

• площадь поверхности устройства;
• температурный график;
• в каких средах работает устройство;
• допустимый уровень рабочего давления;
• габариты изделия;
• номинальные расходы теплоносителей.

Технические параметры теплообменников очень важны для правильной работы агрегатов. Кожухотрубный теплообменник должен быть надежным и долговечным. Качественный теплообменник характеризуется длительными интервалами технического обслуживания и минимальными эксплуатационными расходами.

Также обращайте внимание на возможность бесперебойной работы при различных условиях эксплуатации. Всегда обращайте внимание на эргономичный дизайн агрегатов.

Производительность агрегата и его термодинамическое совершенство являются важными характеристиками. При выборе агрегатов обращайте внимание на КПД и учитывайте температуры на входе и выходе контуров. Также обратите внимание на вязкость среды, в которой используется теплообменник.

Материалы

При выборе материала учитывайте температуру поверхности, давление, поддерживаемое в аппарате, а также физические и химические свойства теплоносителя. При выборе учитывайте эти критерии.

Для изготовления оборудования и компонентов используются сталь, чугун и цветные металлы. Чугун обладает отличными литейными свойствами, но многие изделия из чугуна подвержены коррозии. Ковкий чугун с высокой ударной прочностью используется для корпусов, клапанов и небольших фитингов. При выборе уплотнительного материала необходимо учитывать параметры рабочей среды и торцевых поверхностей.

Теплообменники, изготовленные из стали, имеют много преимуществ: Это экономически выгодный пластичный материал. Стальные котлы быстро остывают, отлично переносят перепады температур, а механические поломки невозможны. Недостатком агрегатов является образование трещин, также они подвержены коррозии. Агрегат имеет большие габариты, высокий удельный вес и большой объем. Агрегаты легко транспортировать, теплообменники можно ремонтировать, они редко выходят из строя.

Чугунные приборы очень устойчивы к коррозии, но материал часто трескается при высоких температурах. Чугун имеет высокую цену, а также является хрупким. Чугунные чайники быстро нагреваются и медленно остывают. Они секционные, их легко транспортировать и легко обслуживать. Они имеют большие размеры и больший объем. Теплообменники из меди легкие и компактные. Эти агрегаты передают много тепла, гораздо больше, чем стальные и чугунные конструкции. Недостатком этих устройств является то, что они менее надежны, чем другие.

Теплообменники из нержавеющей стали стоят дорого, очень устойчивы к коррозии и инертны. Эти изделия обладают высокой прочностью, износостойкостью, ремонтопригодностью и практичностью.