Основные конструкции теплообменников
Труба в трубе – теплообменник, в котором все отдельные компоненты соединяются посредством патрубков и калачей. Вследствие этого образуется цельная система механизма. Чаще всего их эксплуатируют в условиях наличия высокого давления.
Оросительный теплообменник – тип устройств, которые чаще всего используют в роли конденсаторов при изготовлении охлаждающих установок. Это змеевик, образованный горизонтальными трубами, размещенными в вертикально расположенной плоскости. Они образуют множество секций, расположенных параллельно по отношению друг к другу. Каждый ряд оснащен желобом, который выдавливает струйку охлаждающей воды на теплообменный ряд труб. Часть жидкости испаряется, а другая откачивается насосами.
Графитовый теплообменник – тип устройства, используемый в условиях химически агрессивной среды. Чаще всего изготавливаются они из графитных блоков, пропитанных особыми смолами. Блок оснащают каналом для носителя теплоты. Уплотнение блоков происходит посредством использования прокладок из различных материалов.
Теплообменники пластинчатого типа образованы набором пластин, которые изначально были отштампованы для создания волнистой поверхности. Они наделены рядом каналов, по которым движется поток жидкости. Данный теплообменник крайне просто изготовить и/или модифицировать. Он прост в очистке и обладает высоким коэффициентом теплопередачи, но в условиях высокого давления он применяться не может.
Конструкция кожухотрубчатого аппарата
Основное достоинство кожухотрубного обменника тепла https://opeks.energy/kozhuxotrubnye-teploobmenniki/ 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.
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.
Кожухотрубные теплообменники
Кожухотрубчатые теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухами и крышками с патрубками. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Перегородки предназначены для увеличения скорости и, следовательно, коэффициента теплоотдачи теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между различными жидкостями, между жидкостями и паром, между жидкостями и газами. Типовые конструкции кожухотрубчатых теплообменников применяются в случаях, когда требуется большая поверхность теплообмена.
Типы кожухотрубчатых теплообменников
а — одноходовой; б — многоходовой; в — пленочный; г — с линзовым компенсатором; д — с плавающей головкой закрытого типа; е — с плавающей головкой открытого типа; ж — с сальниковым компенсатором; з — с U-образными трубками; 1 — кожух; 2 — выходная камера; 3 — трубная решетка; 4 — трубы; — входная камера; 6 — продольная перегородка; 7 — камера; 8 — перегородки в камере; 9 — линзовый компенсатор; 10 — плавающая головка; 11 — сальник; 12 — U-образные трубки; I, II — теплоносители
При нагреве жидкости паром в большинстве случаев пар вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам. В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2—3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, скорости теплоносителя в межтрубном пространстве более низкие и коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысоки, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. На рис. 4 показаны различные типы кожухотрубчатых теплообменников.
Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Так, конденсатор современной паровой турбины мощностью 300 МВт имеет более 20 тыс. труб с общей площадью поверхности теплообмена около 15 тыс. м2.
Корпус (кожух) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются, главным образом, способом соединения с трубной решеткой и крышками. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды и диаметром аппарата, но не меньше 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха привариваются фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха привариваются патрубки и опоры аппарата.
Трубки кожухотрубчатых аппаратов изготовляют прямыми или изогнутыми (U-образными) диаметром от 12 до мм.
Материал трубок выбирается в зависимости от среды, омывающей ее поверхность. Применяются трубки из стали, латуни и специальных сплавов.
Трубные решетки служат для закрепления в них труб при помощи развальцовки, сварки, запайки или сальниковых соединений. Трубные решетки зажимаются болтами между фланцами кожуха и крышки или привариваются к кожуху, либо соединяются болтами только с фланцами свободной камеры.
Крышки кожухотрубчатых аппаратов имеют форму плоских плит, конусов, сфер, а чаще всего выпуклых или вогнутых эллипсов.
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.
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.
Некоторые сравнительные данные
При выборе использования пластинчатого или кожухотрубного теплообменника чаще люди выбирают первые, так как их коэффициент передачи тепла гораздо выше, чем у традиционного кожухотрубного аппарата. К тому же пластинчатые приборы обладают меньшей площадью.
Теплообменники пластинчатого типа, изготавливаемые за рубежом, оснащаются рядом средств, позволяющих им работать в автоматическом режиме посредством изначальной настройки и регуляции, а также они оснащаются прочной арматурой. В подобных аппаратах снижается величина теплоносителя, который расходуется для нагрева воды. Следовательно, это позволяет снизить нагрузку на сетевой набор насосов, а также уменьшить количество энергии, которое ими потребляется.
В настоящее время с нарастающей популярностью начинают изготавливать и использовать геликоидные теплообменные устройства. Их особенностью является профилирование трубок. Оно делается для того, чтобы прирост сопротивления гидравлической природы мог превысить возрастание отдачи тепла в случае применения турбулизации потоков. Данное устройство является довольно дешевым в сравнении с иностранными моделями, а его качество очень высоко. Чтобы защитить механизм от коррозии, для каждой трубной доски применяют напыление газотермического типа.
Три упомянутых в этом пункте теплообменника изготавливаются, как правило, посредством использования стали с высоким показателем коррозийной стойкости и жаропрочностью. Однако, несмотря на эксплуатацию подобных материалов, структурные компоненты теплообменников все равно могут подвергаться коррозии питтингового типа.
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;
- хорошая ремонтопригодность.
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.
История появления и внедрения
Изобрели кожухотрубные 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 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.
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.
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 :
- 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.
Виды
Выделяют 3 основных вида кожухотрубных теплообменников.
- Фиксированные теплообменники с трубными решетками – трубная решетка фиксируется в кожухе с помощью сварки, поэтому применяется термин «неподвижная трубная решетка». Эта простая и экономичная конструкция позволяет очищать отверстия труб механическими или химическими средствами.
- U-образный теплообменник – представляют собой кожухотрубные теплообменники, пучок которых состоит из непрерывных труб, изогнутых в U-образной форме. Сторона изгиба является свободно плавающей, что способствует тепловому расширению без использования компенсаторов. Однако такие отводы сложно чистить.
- Теплообменники с плавающей головкой – здесь задняя решетка может плавать или перемещаться, поскольку она не приварена к корпусу. Пучок трубок можно легко снять при обслуживании.
Теплообменники с фиксированной головкой предназначены для работы с перепадами температур до 93,33 °C. Тепловое расширение не позволяет теплообменнику с фиксированной головкой превысить эту разницу температур. Он лучше всего подходит для работы конденсатора или нагревателя.
Теплообменники с плавающей головкой рассчитаны на высокие перепады температур выше 93,33 °C.
Кожухотрубные теплообменники рассчитаны на работу с высокими расходами в непрерывном режиме.
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.
