Список разделов

Кожухотрубный теплообменник: типы, устройство конструкции, принцип действия, маркировка



Впервые кожухотрубный (кожухотрубчатый) теплообменник был применен в начале ХХ столетия. Аппарат получил свое название благодаря тонким теплообменным трубам, которые находились внутри специального кожуха.

Производительность аппарата непосредственно связана с количеством труб, принимающих участие в теплообмене. Необходимость разработки такого типа теплообменника была обусловлена необходимостью обеспечить эффективный теплообмен между рабочими средами в условиях повышенного давления.

Первоначально кожухотрубные теплообменники использовались для обеспечения работы тепловых станций. Позднее аппараты начали использоваться в качестве компонентов испарителей и нагревателей в нефтяной промышленности. Работа с загрязненной рабочей средой заставила внести в первоначальную конструкцию теплообменного аппарата некоторые изменения, направленные на упрощение технического обслуживания агрегатов.

В настоящее время кожухотрубчатые теплообменники получили самое широкое распространение. Этому способствовали прежде всего надежность конструкции и большой набор модификаций, предназначенных для самых разных областей использования.

Что такое кожухотрубный теплообменник?

Кожухотрубные теплообменники - это аппараты, которые используются для передачи тепловой энергии между двумя рабочими жидкостями – горячей и холодной. Суть теплообмена заключается в передаче тепловой энергии от теплоносителя, движущейся по трубам теплообменника, холодной рабочей среде которая движется в противоположном направлении в полости корпуса. В процессе перемещения нагретая жидкость отдает тепло холодной через стенки теплообменных труб.

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.

Конструкция и принцип работы

Конструкция кожухотрубного теплообменника отличается простотой и надежностью, а также обеспечивает простой доступ к основным элементам для технического обслуживания и ремонта. Что касается принципа действия рассматриваемой установки, он также не отличается особой сложностью. Рассмотрим подробно конструкцию и принцип действия кожухотрубных преобразователей тепловой энергии.

Конструкция теплообменника

В общем случае конструкция теплообменного аппарата состоит из следующих элементов:

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

Главным преимуществом кожухотрубного преобразователя тепловой энергии и основной причиной популярности этих устройств является простота и надежность конструкции. Кожухотрубчатый теплообменник включает в себя распределительную камеру, оснащенную теплообменными трубами, корпус, чаще всего цилиндрической формы, и специальные решетки.

На торцах корпуса располагаются крышки, полностью герметизирующие корпус агрегата. Благодаря находящимся в комплекте поставки опорам, теплообменник легко устанавливается в горизонтальное положение. Помимо этого, конструкцией предусмотрены специальные крепления, обеспечивающие возможность произвольной установки изделия.

Увеличить интенсивность теплообмена может использование труб, имеющих специальные рёбра. В том случае, когда необходимо уменьшить интенсивность теплопередачи, на трубы наносят специальное теплоизоляционное покрытие. Таким образом можно существенно повысить аккумулирующие возможности установки. В некоторых случаях применяются особые конструктивные решения, в которых предусмотрено использование двух труб: труба меньшего диаметра располагается внутри трубы большего диаметра.

Площадь теплопередающей поверхности кожухотрубных теплообменников может колебаться в пределах от 300 см2 до нескольких тысяч квадратных метров. В конденсаторе современных паровых турбин, мощность которых составляет 300 МВт имеется более 20 000 трубок, а общая поверхность поверхность теплообмена составляет приблизительно 15000 м2.

Кожух теплообменного аппарата изготавливается из толстолистовой стали толщиной не менее 4 мм. Для изготовления решеток используется материал той же марки, однако толщина его должна быть не менее 20 мм. Главным элементом конструкции является комплект труб. Для эффективной работы устройства необходимо, чтобы материал из которого изготавливаются трубы, обладал высокой теплопроводностью. Положение пучка труб внутри корпуса фиксируется с помощью одной или нескольких решеток.

Принцип действия

Принцип действия кожухотрубного теплообменника довольно прост. Внутри аппарата происходит разделение рабочих сред таким образом, что они лишены возможности смешиваться между собой. В роли теплопередающих элементов выступают трубы, расположенные между двумя рабочими субстанциями.

Один из теплоносителей перемещается внутри труб, другой подается под давлением в межтрубное пространство. Кожухотрубчатые теплообменники могут работать с любыми агрегатными состояниями теплоносителей, это могут быть пар, газ, жидкость или их сочетание.

Типы кожухотрубных теплообменников

Диаметр корпуса кожухотрубчатого теплообменника может составлять от 159 до 3000 мм; длина корпуса колеблется в пределах от 0,1 до нескольких десятков метров. Максимальное давление в системе может достигать 160 кг/см2. В настоящее время самое широкое распространение получили следующие типы теплообменных аппаратов:

  • 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.

По направлению перемещения теплоносителей, кожухотрубные преобразователи тепловой энергии можно разделить на 3 вида:

  • Одноточные.
  • Противоточные.
  • Перекрестноточные.

Теплообменники могут быть одноходовыми и многоходовыми.

В одноходовых устройствах теплоноситель циркулирует по ограниченному контуру. В качестве примера можно привести водонагреватель ВВП, получивший широкое распространение системах отопления. Такие устройства используются зонах, где интенсивность теплообмена принципиального значения не имеет (температура окружающей среды незначительно отличается от температуры теплоносителя).

Многоходовые устройства имеют поперечные или продольные перегородки, обеспечивающие изменение направления движения теплоносителя. Такие теплообменники применяются на участках, где интенсивность теплообмена особенно важна.

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.

Обозначения теплообменников стандарта TEMA

Типы передних неподвижных головок по системе обозначений ТЕМА:

  • A — тип – канальный, крышка – съемная;
  • B — тип – колпак, крышка – сплошная;
  • C — полностью канальный тип, имеется трубная доска и съемная крышка;
  • N — полностью канальный тип, имеется трубная доска и несъемная крышка;
  • D — оснащен специальной головкой с крышкой для работы в условиях повышенного давления.

Типы кожухов по системе обозначений ТЕМА:

  • E — кожух с одним ходом в межтрубном пространстве;
  • F — кожух с двумя ходами в межтрубном пространстве с продольной перегородкой;
  • G — кожух с распределенным потоком;
  • H — кожух с двойным расширенным потоком;
  • J — кожух с разделенным потоком;
  • K — ребойлер;
  • X — кожух с поперечным потоком в межтрубном пространстве.

Типы задних головок по системе обозначений ТЕМА:

  • L — с фиксированной трубной доской, как в неподвижной головке типа А;
  • M —с фиксированной трубной доской, как в неподвижной головке типа В;
  • N — с фиксированной трубной доской, как в неподвижной головке типа N;
  • P — с плавающей головкой, уплотняемой снаружи;
  • S — с плавающей головкой с опорным устройством;
  • T — с плавающей головкой, которую можно извлечь из кожуха;
  • U — головка с U-образным трубным пучком;
  • W — головка с уплотняемой снаружи плавающей трубной доской.

Тип BET

Применение: нагрев жидких сред при низком давлении пара в корпусе; охлаждение газа или нефти в корпусном пространстве.

Тип AES

Применение: нередко применяется на нефтеперерабатывающих предприятиях при повышенном давлении в корпусном пространстве.

Тип BEP

Описание: Съемный трубный пучок, наружное крепление решетки, трубная решетка может быть изготовлена из кованой стали, чтобы удовлетворить требованиям по расчетному давлению на корпус возможен в разном материальном исполнении, максимально допустимое давление в трубках - до 3000 psi, корпус полностью герметичен.

Применение: при использовании особо опасных газов, при повышенном давлении в трубной части, где неисправности прокладок должны быть выявлены максимально быстро.

Тип BEM

Описание: фиксированная трубная решетка с несъемным трубным пучком, приварена непосредственно к внутренней поверхности корпуса, конструкция один или два хода.

Применение: Химическая промышленность; рабочие среды – воздух (при повышенном давлении), азот (газ в трубах, фреон в корпусе).

Тип BEU

Описание: трубки U-типа; съемный или несъемный трубный пучок; многоходовая конструкция; широкий диапазон рабочего давления и по корпусу, и по трубкам.

Применение: Химическая промышленность; подогреватели жидкостей; различные виды испарителей.

Тип AEW

Описание: Съемный трубный пучок; конструкция в один или два прохода; двойное уплотнение плавающей трубной решетки с "O-образными" кольцами и резьбовыми фиксаторами с контрольными отверстиями для обнаружения возможных утечек, корпус размером от 6 до 42; широкий диапазон рабочих давлений.

Применение: промышленные и бытовые охладители.

Преимущества и недостатки

Кожухотрубные теплообменники имеют ряд преимуществ, выгодно отличающих их от других типов преобразователей тепловой энергии. К этим преимуществам относятся:

  • стойкость к гидроударам. В отличии от других типов теплообменников, кожухотрубные установки легко переносят гидродинамическое воздействие;
  • возможность работы с различными агрегатными состояниями теплоносителя. Кроме того, устройства могут эффективно работать в экстремальных условиях с загрязненной рабочей средой;
  • простота эксплуатации и технического обслуживания. Такие теплообменники легко разбираются и поддаются очистке. Кроме того, изделия обладают высокой степенью ремонтопригодности;
  • простота и надежность конструкции обеспечивают длительный срок службы оборудования.

Невзирая на приведенные выше достоинства, у таких установок имеются и существенные недостатки, которые необходимо учесть прежде чем приобрести такое устройство. Возможно, кожухотрубчатый преобразователь тепловой энергии не является оптимальным решением поставленной задачи. К недостаткам таких агрегатов относятся:

  • недостаточно высокий КПД. Пластинчатые теплообменники обладают большим КПД за счет большей поверхности теплопередачи;
  • большие габаритные размеры и вес. Это влечет за собой увеличение конечной стоимости изделия и эксплуатационные расходы;
  • зависимость интенсивности теплопередачи от скорости перемещения рабочей среды.

Даже с учетом выше перечисленных недостатков, данный вид теплообменных аппаратов занял достойное место на рынке преобразователей тепловой энергии. Особенно популярны кожухотрубные теплообменники в химической и нефтеперерабатывающей промышленности.

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.

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.

Добавить комментарий:

наверх