Теплообменником называется устройство, в котором производится передача тепла между теплоносителями.

Принцип действия

Кожухотрубные теплообменники относятся к типу рекуперативных, где среды разделены стенками. Работа их заключается в процессах теплообмена между жидкостями. При этом может происходить изменение их агрегатного состояния. Теплообмен также может производиться между жидкостью и паром или газом.

Преимущества и недостатки

Кожухотрубные теплообменники распространены, благодаря следующим положительным качествам:

• стойкость к механическим воздействиям и гидроударам;
• невысокие требования к чистоте сред;
• высокая надежность и долговечность;
• широкий модельный ряд;
• возможность применения с разными средами.

К недостаткам данного типа моделей относятся:

• малая величина коэффициента теплопередачи;
• значительные габариты и высокая металлоемкость;
• высокая цена из-за повышенной металлоемкости;
• необходимость применения устройств с большим запасом в связи с заглушкой поврежденных трубок при ремонтах;
• колебания уровня конденсата нелинейно изменяет теплообмен в устройствах горизонтального исполнения.

Кожухотрубные теплообменники обладают низким коэффициентом теплопередачи. Отчасти это связано с тем, что пространство корпуса в 2 раза больше общего поперечного сечения трубок. Применение направляющих перегородок дает возможность повысить скорость жидкости и улучшить теплообмен.

В межтрубном пространстве проходит теплоноситель, а по трубкам подается нагреваемая среда. Аналогичным образом она может также охлаждаться. Эффективность теплообмена обеспечивается за счет увеличения числа трубок или созданием поперечного тока внешнего теплоносителя.

Компенсация температурных удлинений

Температура теплоносителей разная и в результате происходит тепловая деформация элементов конструкции. Кожухотрубный теплообменник выполняется с компенсацией удлинения или без нее. Жесткое крепление трубок допускается при разности температуры между ним и корпусом до 25-30 0 С. Если она превышает эти пределы, применяются следующие температурные компенсаторы.

1. "Плавающая" головка - одна из решеток не имеет соединение с кожухом и свободно перемещается в осевом направлении при удлинении трубок. Конструкция является наиболее надежной.
2. На корпусе выполнен линзовый компенсатор в виде гофра, который может расширяться или сжиматься.
3. Сальниковый компенсатор установлен на верхнем днище, который имеет возможность перемещаться вместе с решеткой при температурном расширении.
4. U-образные трубы свободно удлиняются в среде теплоносителя. Недостатком является сложность изготовления.

Типы кожухотрубных теплообменников

Конструктивное исполнение аппаратов отличается простотой, на них всегда есть спрос. Цилиндрическим корпусом служит стальной кожух большого диаметра. На его кромках выполнены фланцы, на которых установлены крышки. В трубных досках внутри корпуса закреплены сваркой или развальцовкой трубные пучки.

Материалом для трубок служит сталь, медь, латунь, титан. Стальные доски крепят между фланцами или приваривают к кожуху. Между ними и корпусом внутри образуются камеры, через которые проходят теплоносители. Также там имеются перегородки, изменяющие движение жидкостей, проходящие через кожухотрубные теплообменники. Конструкция позволяет изменить скорость и направление потока, проходящего между трубками, тем самым увеличив интенсивность теплообмена.

Устройства могут располагаться в пространстве вертикально, горизонтально или с наклоном.

Разные типы кожухотрубных теплообменников отличаются расположением перегородок и устройством компенсаторов температурных удлинений. При малом числе трубок в пучке кожух имеет небольшой диаметр, и поверхности теплообмена получаются небольшими. Для их увеличения теплообменники последовательно соединяются в секции. Самой простой является конструкция "труба в трубе", которую часто изготавливают самостоятельно. Для этого необходимо правильно подобрать диаметры внутренней и наружной трубы и скорость потоков теплоносителей. Удобство чистки и ремонта обеспечивается за счет колен, которыми соединяются соседние секции. Эту конструкцию часто используют как пароводяные кожухотрубные теплообменники.

Спиральные теплообменные аппараты представляют собой каналы, выполненные прямоугольной формы и сваренные из листов, по которым перемещаются теплоносители. Достоинством является большая поверхность контакта с жидкостями, а недостатком - низкое допускаемое давление.

Новые конструкции теплообменников

В наше время начинает развиваться производство компактных теплообменников с рельефными поверхностями и интенсивным движением жидкостей. В результате их технические характеристики приближаются к пластинчатым аппаратам. Но производство последних также развивается, и догнать их сложно. Замена кожухотрубных теплообменников на пластинчатые целесообразна, благодаря следующим преимуществам:

К недостатку относится быстрая загрязненность пластин из-за малой величины зазоров между ними. Если хорошо фильтровать теплоносители, теплообменный аппарат будет работать долго. Мелкие частицы не удерживаются на полированных пластинах, а турбулизация жидкостей также предупреждает осаждение загрязнений.

Повышение интенсивности теплообмена аппаратов

Специалисты постоянно создают новые кожухотрубные теплообменники. Технические характеристики улучшаются за счет применения следующих способов:

Турбулизация потоков жидкостей значительно уменьшает солеотложение на стенках труб. За счет этого не требуются мероприятия по их очистке, которые необходимы для гладких поверхностей.

Производство кожухотрубных теплообменников с внедрением новых методов позволяет повысить в 2-3 раза эффективность теплоотдачи.

Учитывая дополнительные энергозатраты и стоимость, производственники чаще стараются заменить теплообменник на пластинчатый. По сравнению с обычными кожухотрубными они лучше по теплопередаче на 20-30 %. Это больше связано с освоением производства новой техники, которое пока идет со сложностями.

Эксплуатация теплообменников

Аппараты нуждаются в периодическом осмотре и контроле за работой. Параметры, например, температура, измеряются по их значениям на входе и выходе. Если эффективность работы снизилась, нужно проверить состояние поверхностей. Особенно влияют солевые отложения на термодинамические параметры теплообменников, где малая величина зазоров. Очистка поверхностей производится химическим способом, а также за счет применения ультразвуковых колебаний и турбулизации потоков теплоносителей.

Ремонт кожухотрубных аппаратов в основном заключается в запаивании прохудившихся трубок, что ухудшает их технические характеристики.

Заключение

Оптимальные кожухотрубные теплообменники конкурируют с пластинчатыми и могут применяться во многих областях техники. Новые конструкции имеют значительно меньшие габариты и металлоемкость, что позволяет снизить рабочие площади и уменьшить затраты на создание и эксплуатацию.

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к наиболее распространенным. Их применяют в промышленности и на транспорте в качестве нагревателей, конденсаторов, охладителей, для различных жидких и газообразных сред. Основными элементами кожухотрубчатого теплообменника являются: кожух (корпус), трубный пучок, камеры-крышки, патрубки, запорная и регулирующая арматура, контрольная аппаратура, опоры, каркас. Кожух аппарата сваривают в виде цилиндра из одного или нескольких, обычно стальных листов. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды в межтрубном пространстве и диаметром аппарата. Днища камер могут быть сферическими сварными, эллиптическими штампованными и реже - плоскими. Толщина днищ не должна быть меньше толщины корпуса. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. В зависимости от расположения аппарата относительно пола помещения (вертикальное, горизонтальное) к корпусу должны быть приварены соответствующие опоры. Предпочтительнее вертикальное расположение корпуса и всего теплообменника, так как в этом случае уменьшается площадь, занимаемая аппаратом, и более удобно расположение его в рабочем помещении.

Трубный пучок теплообменника может быть собран из гладких стальных бесшовных, латунных или медных прямых или U- и W-образных труб диаметром от нескольких миллиметров до 57 мм и длиной от нескольких сантиметров до 6-9 м с диаметром корпуса до 1,4 м и более. Внедряются, особенно в холодильной технике и на транспорте, образцы кожухотрубчатых и секционных теплообменников с низкими накатными продольными, радиальными и спиральными ребрами. Высота продольного ребра не превышает 12-25 мм, а высота выступа катаных труб 1,5-3,0 мм при 600-800 ребрах на 1 м длины. Внешний диаметр труб с низкорадиальными (накатными) ребрами мало отличается от диаметра гладких труб, хотя поверхность теплообмена при этом возрастает в 1,5-2,5 раза. Форма такой поверхности теплообмена обеспечивает высокую тепловую эффективность аппарата при рабочих средах с различными теплофизическими свойствами.

В зависимости от конструкции пучка как гладкие, так и накатные трубы закрепляют в одной или двухтрубных решетках развальцовкой, разбортовкой, сваркой, спайкой или сальниковыми соединениями. Из всех перечисленных способов реже применяют более сложные и дорогостоящие сальниковые уплотнения, допускающие при тепловых удлинениях продольное перемещение труб.

Размещение труб в трубных решетках (рис. 2.2) может быть осуществлено несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (шахматное), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное), по концентрическим окружностям и по сторонам и вершинам шестиугольников со смещенной на угол β диагональю. Преимущественно трубы размещаются равномерно на всей площади решетки по сторонам и вершинам правильных шестиугольников. В аппаратах, предназначенных для работы на загрязненных жидкостях, часто принимают прямоугольное размещение труб для облегчения очистки межтрубного пространства.

Рис. 2.2 - Способы закрепления и размещения труб в трубных решетках: а - развальцовкой; б - развальцовкой с отбортовкой; в - развальцовкой в очках с канавками; г и д - приваркой; е - с помощью сальника; 1 - по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (треугольников); 2 - по концентрическим окружностям; 3 - по сторонам и вершинам квадратов; 4 - по сторонам и вершинам шестиугольников со смещенной на угол β диагональю

В горизонтальных кожухотрубчатых теплообменниках-конденсаторах с целью уменьшения термического сопротивления на внешней поверхности труб, вызываемого пленкой конденсата, трубы рекомендуется размещать по сторонам и вершинам шестиугольника со смещенной на угол β диагональю, оставляя при этом в межтрубном пространстве свободные проходы для пара.

Некоторые варианты компоновки трубных пучков в корпусе приведены на (рис. 2.3). Если обе решетки пучка из прямых труб зажимаются между верхними и нижними фланцами корпуса и крышек, то такой аппарат будет жесткой конструкции (рис. 2.3, а, б). Теплообменники жесткой конструкции применяются при сравнительно небольшой разности температур между корпусом и трубами (примерно 25-30° С) и при условии изготовления корпуса и труб из материалов с близкими значениями их коэффициентов удлинения. При проектировании аппарата необходимо рассчитывать напряжения, возникающие вследствие тепловых удлинений труб в трубной решетке, особенно в местах соединения труб с решеткой. По этим напряжениям в каждом конкретном случае определяют пригодность или непригодность аппарата жесткой конструкции. Возможные варианты кожухотрубчатых теплообменников нежесткой конструкции показаны также на (рис. 2.3, в, г, д, е).

Рис. 2.3 - Схемы кожухотрубчатых теплообменников: а - с жестким креплением трубных решеток с сегментными перегородками; б - с жестким креплением трубных решеток с кольцевыми перегородками; в - с линзовым компенсатором на корпусе; г - с U-образными трубами; д - с двойными трубами (труба в трубе); е - с «плавающей» камерой закрытого типа; 1 - цилиндрический корпус; 2 - трубы; 3 - трубная решетка; 4 - верхняя и нижняя камеры; 5, 6, 9 - сегментная, кольцевая и продольная перегородки в межтрубном пространстве; 7 - линзовый компенсатор; 8 - перегородка в камере; 10 - внутренняя труба; 11 - наружная труба; 12 - «плавающая» камера

В кожухотрубчатом теплообменнике с линзовым компенсатором на корпусе (рис. 2.3, в) тепловые удлинения компенсируются осевым сжатием или растяжением этого компенсатора. Такие аппараты рекомендуется применять при избыточном давлении в межтрубном пространстве не выше 2,5·10 5 Па и при деформации компенсатора не более чем на 10-15 мм,

В теплообменниках с U-образными (рис. 2.3, г), а также с W-образными трубами оба конца труб закрепляют в одной (чаще в верхней) трубной решетке. Каждая из труб пучка может свободно удлиняться независимо от удлинения других труб и элементов аппарата. При этом в местах соединений труб с трубной решеткой и в соединении трубной решетки с корпусом не возникает никаких напряжений. Эти теплообменники пригодны для работы при высоких давлениях теплоносителей. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут быть признаны лучшими из-за трудности изготовления труб с разным радиусом изгиба, сложности замены и неудобства очистки гнутых труб.

Кроме того, в условиях эксплуатации при равномерном распределении теплоносителя на входе в трубы будет неодинаковая температура этого теплоносителя на выходе из них вследствие разных площадей поверхностей теплообмена этих труб.

В кожухотрубчатых теплообменниках с двойными трубами (рис. 2.3, д) каждый элемент состоит из двух труб: наружной - с закрытым нижним концом и внутренней - с открытым концом. Верхний конец внутренней трубы меньшего диаметра закрепляют развальцовкой или сваркой в верхней трубной решетке, а трубу большего диаметра - в нижней трубной решетке. При таких условиях монтажа каждый из элементов, состоящий из двух труб, может свободно удлиняться без возникновения тепловых напряжений. Нагреваемая среда движется по внутренней трубе, затем по кольцевому каналу между наружной и внутренней трубами. Тепловой поток от греющей к нагреваемой среде передается сквозь стенку внешней трубы. Кроме того, в процессе переноса теплоты участвует и поверхность внутренней трубы, потому что температура нагреваемой среды в кольцевом канале выше температуры той же среды во внутренней трубе.

В кожухотрубчатом теплообменнике с «плавающей» камерой закрытого типа (рис. 2.3, е) трубный пучок собирается из прямых труб, соединенных двумя трубными решетками. Верхнюю решетку зажимают между верхним фланцем корпуса и фланцем верхней камеры. Нижняя трубная решетка не соединяется с корпусом, она вместе с нижней камерой внутритрубного пространства свободно может перемещаться вдоль оси теплообменника. Эти теплообменники более совершенны, чем другие аппараты нежесткой конструкции. Некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса в зоне «плавающей» камеры и из-за необходимости изготовления дополнительной крышки оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Аппараты могут быть вертикального и горизонтального исполнения.

Другие типы теплообменников с компенсацией тепловых удлинений, как, например, с сильфонным компенсатором на верхнем патрубке, отводящим (подводящим) теплоноситель из внутритрубного пространства, с сальниковым уплотнением верхнего патрубка или трубной решетки и т. п. ввиду сложности изготовления, малой надежности в эксплуатации и низких допускаемых давлений теплоносителей в перспективе будут применяться только в исключительных случаях.

Трубное и межтрубное пространства теплообменников разобщены и образуют два контура для циркуляции двух теплоносителей. Но в случае необходимости во внутритрубный контур можно подавать не одну, а две и даже три нагреваемые среды, разделив при этом эти потоки перегородками, размещенными в крышках аппаратов.

Практически при конструировании таких аппаратов можно обосновать и обеспечить оптимальную скорость только одного теплоносителя, проходящего по внутритрубному контуру, изменяя при этом расположение труб в трубной решетке и число ходов по трубам. Многоходовые аппараты создают путем установки соответствующих перегородок в верхней и нижней камерах теплообменника.

Скорость потока в межтрубном пространстве определяется условиями размещения труб в трубной решетке. Обычно живое сечение для прохода теплоносителя в межтрубном пространстве в 2-3 раза больше живого сечения труб, поэтому при равных объемных расходах обеих сред скорость потока в межтрубном пространстве в 2-3 раза меньше, чем в трубах. В случае необходимости в межтрубном пространстве могут быть установлены сегментные или кольцевые перегородки, уменьшающие живое сечение и придающие жесткость трубному пучку. Естественно, при этом в межтрубном пространстве будет возрастать скорость потока, организуется продольно-поперечное омывание пучка труб, улучшатся условия теплообмена.

В водо-водяных или вообще жидкостно-жидкостных теплообменниках рабочую среду с меньшим расходом в единицу времени (или с большей вязкостью) целесообразно направлять во внутритрубный контур, хотя в некоторых случаях могут быть и отступления от этого принципа, например в аппаратах для охлаждения масла (рис. 2.3, б).

В парожидкостных теплообменниках , особенно при повышенных параметрах пара, наблюдается большая разность между температурами стенок труб и корпуса. Поэтому для таких случаев нагрева жидкости чаще всего используются аппараты нежесткой конструкции, за исключением конденсаторов пара, работающих под вакуумом. Пар обычно проходит в межтрубном пространстве сверху вниз, а жидкость - внутри труб. Конденсат удаляется из нижней части корпуса через конденсатоотводчик. Обязательным условием, обеспечивающим нормальную работу парожидкостного теплообменника, является отвод неконденсирующихся газов из верхней части межтрубного пространства и из нижнего объема над поверхностью конденсата. В противном случае будут ухудшаться условия теплообмена на внешней поверхности труб, резко уменьшится тепловая производительность аппарата.

В комплексных промышленных теплоэнергетических установках применяют конденсаторы, которые выполняют вспомогательную роль в данном процессе. Выбор типа и конструкции конденсатора зависит от давления, при котором протекает процесс фазового перехода, и от необходимости сохранения конденсата. В этой связи следует рассматривать поверхностные и смесительные конденсаторы.

Поверхностные кожухотрубчатые конденсаторы жесткой конструкции горизонтального типа компактны, удобны для размещения в сочетании с другим оборудованием, но в то же время они дороже смесительных. Расположение труб в решетке поверхностных конденсаторов осуществляется по варианту, показанному на рис. 2.2 (4) или рис. 2.2 (1). По ходу воды в трубах конденсаторы выполняются двух- и четырехходовыми. Пар конденсируется в межтрубном пространстве, в котором предусматривают свободные проходы для пара к нижним рядам труб. Такой способ конденсации пара обеспечивает чистоту конденсата, который может служить питательной средой для парогенераторов. В этих конденсаторах можно поддерживать давление от 5000 до 3000 Па.

Большое количество разнообразных кожухотрубчатых теплообменных аппаратов изготавливается серийно специализированными заводами, поэтому во многих случаях представляется возможным выбрать теплообменник, соответствующий расчетным характеристикам, по каталогу.

КОЖУХОТРУБЧАТЫЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ.

Теплообменники жесткого типа (рис. 8.3.2) имеют цилиндрический корпус 1 , в котором установлен трубный пучок 2, закрепленный в трубных решетках 4, в которых трубки закреплены развальцовкой или сваркой. Корпус аппарата закрыт крышками 5 и 6. Внутри корпуса установлены перегородки 3, создающие определенное направление движения потока и увеличивающие его скорость в корпусе (рис. 8.3.4).

Рис. 8.3.2. Кожухотрубчатый теплообменник жесткого типа:

1 - кожух (корпус); 2 - трубка; 3 - поперечная перегородка; 4 - трубная решетка; 5 - крышка; 6 - крышка (распределительная коробка); 3,8 - продольные перегородки соответственно в распределительной коробке и в корпусе.

Рис. 8.3.3. Кожухотрубчатый теплообменник с линзовым компенсатором на корпусе.

Для удлинения пути жидкости в корпусе пучки труб снабжают поперечными перегородками из листовой стали толщиной 5 мм и более. Расстояние между перегородками принимают от 0,2 м до 50 Д Н – наружный диаметр теплообменной трубы. Геометрическая форма перегородок и их взаимное расположение определяют характер движения потока по корпусу теплооб­менника.

Рис. 8.3.4. Типы поперечных перегородок:

I – с секторным вырезом, обеспечивающим ток жидкости по винтовой линии;

II – с щелевым вырезом, обеспечивающим волнообразное движение;

III – с сегментным вырезом;

IV – кольцевые, обеспечивающие движение от периферии к центру, и наоборот.

Поперечные перегородки фиксируются одна по отношению к другой посредством распорных труб, прижимаемых к ним общими тягами (обычно четырьмя). Кроме технологического назначения поперечные перегородки служат также промежуточными опорами для трубного пучка, препятствуя прогибанию его при горизонтальном расположении аппарата.

Одна из теплообменивающихся сред движется по трубкам, а другая - внутри корпуса между трубками. В трубки пускают более загрязненную среду, а также среду с меньшим коэффициентом теплоотдачи, так как очистка наружной поверхности трубок затруднена, а скорости движения среды в межтрубном простран­стве меньше, чем в трубках.

Поскольку температуры теплообменивающихся сред различаются, корпус и трубки получают различные удлинения, что приводит к возникновению дополнительных напряжений в элементах теплообменника. При большой разности температур это может привести к деформации и даже разрушению трубок и корпуса, нарушению плотности развальцовки и т.п. Поэтому теплообмен­ники жесткого типа применяют при разности температур теплообменивающихся сред не более 50°С.

Теплообменники с линзовым компенсатором на корпусе (рис. 8.3.3 ) применяют для уменьшения температурных напряжений в аппаратах жесткого типа. Такие теплообменники имеют на корпусе линзовый компенсатор, за счет деформации которого снижаются температурные усилия в корпусе и трубках. Это снижение тем больше, чем больше число линз у компенсатора.

Теплообменники с плавающей головкой (рис. 8.3.5) нашли наи­более широкое применение. В этих аппаратах один конец трубного пучка закреплен в трубной решетке, связанной с корпусом (на рис. слева), а второй может свободно перемещаться относительно корпуса при температурных изменениях длины трубок. Это устраняет температурные напряжения в конструкции и позволяет работать с большими разностями температур теплообмениваю­щихся сред . Кроме того, возможна чистка трубного пучка и корпуса аппарата, облегчается замена труб пучка. Однако конструк­ция теплообменников с плавающей головкой более сложна, а плавающая головка недоступна для осмотра при работе аппарата.

Рис. 8.3.5. Кожухотрубчатый теплообменный аппарат с плавающей головкой:

1 – кожух; 2,3 – входная и выходная камеры (крышки); 4 – трубный пучок; 5 – трубные решётки; 6 – крышка плавающей головки; 7 – перегородки; 8 – струбцины крепления крышки; 9 – опоры; 10 – фундамент; 11 – межтрубные направляющие перегородки; 12 – скользящая опора трубного пучка; I, II – вход и выход греющего теплоносителя; III, IV – вход и выход нагреваемого потока.

Перегородки, устанавливаемые в распределительной камере и в плавающей головке, увеличивают число ходов в трубном пучке. Это позволяет увеличить скорость движения потока и коэффициент теплоотдачи ко внутренней стенке труб.

Межтрубное пространство аппаратов с плавающей головкой обычно выполняется одноходовым. При двух ходах в корпусе устанавливают продольную перегородку. Однако в этом случае требуется специальное уплотнение между перегородкой и корпусом. Поверхность теплообмена кожухотрубчатых теплообменников может составлять 1200 м 2 при длине труб от 3 до 9 м; условное давление достигает 6,4 МПа.

Теплообменники с U-образными трубками (рис. 8.3.6) имеют трубный пучок, трубки которого изогнуты в виде латинской буквы и, и оба конца закреплены в трубной решетке, что обеспечивает свободное удлинение трубок независимо от корпуса. Такие теплообменники применяют при повышенных давлениях. Среда, направляемая в трубки, должна быть достаточно чистой, так как очистка внутренней поверхности труб затруднена.

Рис. 8.3.5. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой.

Рис.8.3.6. Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными трубками

В зависимости от числа продольных перегородок в корпусе и распределительных коробках теплообменные кожухотрубчатые аппараты делятся на одно-, двух- и многоходовые как в трубном, так и в межтрубном пространстве. Так, на рис. 8.3.2 теплообменник является двухходовым как по трубному, так и по межтрубному пространству, что достигается установкой продольных перегородок 7 и 8.

теплообменники типа ""труба в трубе".

В отличие от кожухотрубчатых аппаратов, где в кожухе размещается пучок из нескольких сотен трубок, в аппаратах этого типа каждая трубка имеет свой индивидуальный кожух (рис. 8.3.7). Теплообменный аппарат набирается из нескольких таких секций, соединенных коллекторами на входе и выходе греющего теплоносителя. Применяют такие аппараты для нагрева вязких и высоковязких нефтепродуктов (нефти дизельного топлива, мазутов, гудронов).

Аппараты "труба в трубе" изготавливают неразборными и разборными. Первые из них используют для сред, не дающих отложений в межтрубном пространстве, внешние трубы которых соединены патрубками сваркой. Соединения внутренних труб у таких аппаратов могут быть жесткими (переходные двойники 3 приварены к трубкам) и разъемными (двойники на фланцах, как показано на рисунке). При жесткой системе теплообменник может применяться для таких сред, при использовании которых разность температур наружной и внутренней трубы должна быть не более 50°С.

Рис. 8.3.7. Секция четырехходового неразборного теплообменника типа "труба в трубе":

1, 2 – наружная и внутренняя трубы; 3 – поворотный двойник;I, II – вход и выход греющего теплоносителя; III, IV – вход и выход нагреваемого потока.

Рис. 8.3.8. Секция однопоточного разборного теплообменника типа "труба в трубе":

1 – внешние трубы; 2 – внутренние трубы; 3 – крышка; 4 – поворотные двойники; 5 –перегородка; 6 – трубная решетка; А – вход и выход более загрязненного потока; Б – вход и выход менее загрязненного потока

Разборные аппараты "труба в трубе" (рис. 8.3.8) выполняют из секций, где внешние трубы 4 объединяются общей крышкой 3, служащей для поворота потока теплоносителя из одной внешней трубы в другую, а внутренние трубы соединяются с помощью поворотных двойников на фланцах внутри этой крышки. Из таких секций может набираться батарея многопоточного аппарата, если расход теплоносителей большой (10–200 т/ч в трубе и до 300 т/ч в межтрубном пространстве). Преимущество разборных аппаратов "труба в трубе" состоит в том, что их можно регулярно (как и кожухотрубные) очищать от отложений и менять внутренние или внешние трубы в случае их повреждений или коррозии.

Обычно в аппаратах "труба в трубе" более загрязненный поток теплоносителя пускают по внутренним трубкам, а менее загрязненный – по межтрубному пространству.

В теплообменниках разборной конструкции внутренние трубы снаружной стороны могут иметь оребрение для увеличения площади теплообмена и повышения тем самым эффективности теплопередачи. Разборные теплообменники позволяют осуществлять чистку наружных и внутренних поверхностей труб, а также применять оребрённые внутренние трубы. Это дает возможность значительно увеличить количество переданного тепла . На рис 8.3.9 показаны оребрённые трубы.

Рис. 8.3.9. Оребрённые трубы:

а - ребра корытообразные приварные; б - ребра завальцованные; в - ребра выдавленные; г - ребра приварные шиповидные; д - ребра накатанные.

Кожухотрубные теплообменники относятся к поверхностным теплообменным аппаратам рекуперативного типа. Широкое распространение этих аппаратов обусловлено прежде всего надежностью конструкции и большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации:

Однофазные потоки, кипение и конденсация;

Вертикальное и горизонтальное исполнение;

Широкий диапазон давлений теплоносителей, от вакуума до 8,0 МПа;

Площади поверхности теплообмена от малых (1 м 2) до предельно больших (1000 м 2 и более);

Возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости аппаратов, агрессивностью, температурными режимами и давлением теплоносителей;

Использование различных профилей поверхности теплообмена как внутри труб, так и снаружи и различных турбулизаторов;

Возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта.

Различают следующие типы кожухотрубных теплообменных аппаратов:

Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками (жесткотрубные ТА);

Теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с линзовым компенсатором на кожухе;

Теплообменные аппараты с плавающей головкой;

Теплообменные аппараты с U– образными трубами.

Кожухотрубные теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками отличаются простотой конструкции и, следовательно, меньшей стоимостью (рис. 1).

Рис. 1.Кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками:

1 -распределительная камера; 2 -кожух; 3 -теплообменная труба; 4 -поперечная перегородка; 5 -трубная решетка; 6 - задняя крышка кожуха; 7 -опора; 8- дистанционная трубка; 9-штуцеры; 10-перегородка в распределительной камере; 11 - отбойник

Кожухотрубный теплообменный аппарат представляет из себя пучок теплообменных труб, находящихся в цилиндрическом корпусе (кожухе). Один из теплоносителей движется внутри теплообменных труб, а другой омывает наружную поверхность труб. Концы труб закрепляются с помощью вальцовки, сварки или пайки в трубных решетках. В кожух теплообменного аппарата с помощью дистанционных трубок устанавливаются перегородки. Перегородки поддерживают трубы от провисания и организуют поток теплоносителя в межтрубном пространстве, интенсифицируя теплообмен. К кожуху теплообменного аппарата привариваются штуцеры для входа и выхода теплоносителя из межтрубного пространства. На входе теплоносителя в межтрубное пространство в ряде случаев устанавливают отбойники, необходимые для уменьшения вибрации пучка труб, равномерного распределения потока теплоносителя в межтрубном пространстве и снижения эррозии ближайших к входному штуцеру труб. К кожуху теплообменного аппарата с помощью фланцевого соединения крепятся распределительная камера и задняя крышка со штуцерами для входа и выхода продукта из трубного пространства.

В зависимости от расположения теплообменных труб различают теплообменные аппараты горизонтального и вертикального типа.

В зависимости от числа перегородок в распределительной камере и задней крышке кожухотрубчатые теплообменные аппараты делятся на одноходовые, двухходовые и многоходовые в трубном пространстве.

В зависимости от числа продольных перегородок, установленных в межтрубном пространстве, кожухотрубные теплообменники делятся на одно – и многоходовые в межтрубном пространстве.

Теплообменники cнеподвижными трубными решетками применяются, если максимальная разность температур теплоносителей не превышает 80 0 С,и при сравнительно небольшой длине аппарата. Эти ограничения объясняются возникающими в кожухе и в теплообменных трубах температурными напряжениями, способными нарушить герметичность конструкции аппарата.

Для частичной компенсации температурных напряжений в кожухе и в теплообменных трубах используются специальные гибкие элементы (расширители, компенсаторы), установленные на кожухе аппарата. Такие теплообменники называются теплообменными аппаратами с температурным компенсатором на кожухе (рис. 2).

Рис. 2.Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе:

1-распределительная камера; 2 - трубные решетки; 3 - компенсатор; 4 - кожух; 5 - опора; 6 - теплообменная труба; 7 -поперечная перегородка; 8 - задняя крышка кожуха; 9 - дистанционная трубка; 10 - штуцеры

В аппаратах подобного типа используют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с плавающей головкой (с подвижной трубной решеткой) являются наиболее распространенным типом кожухотрубных теплообменников (рис. 3). Подвижная трубная решетка позволяет трубному пучку свободно перемещаться независимо от корпуса, что значительно снижает температурные напряжения как в кожухе, так и в теплообменных трубах.

Рис. 3.Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой:

1 -крышка распределительной камеры; 2 -распределительная камера; 3 -неподвижная трубная решетка; 4 -кожух; 5 -теплообменная труба; 6 - поперечная перегородка; 7 - подвижная трубная решетка; 8 -задняя крышка кожуха; 9 -крышка плавающей головки; 10 - опора; 11 -катковая опора трубного пучка

Теплообменные аппараты данного типа выполняюся с двумя или с четырьмя ходами по трубному пространству.

Аппараты с плавающей головкой чаще всего выполняются одноходовыми по межтрубному пространству. В аппаратах с двумя ходами по межтрубному пространству устанавливается продольная перегородка.

Кожухотрубчатые теплообменники с U-образнымитрубами (рис. 4)имеют одну трубную решетку, в которую завальцованы оба концаU-образныхтеплообменных труб. Отсутствие других жестких связей теплообменныхU-образныхтруб с кожухом обеспечивает свободное удлинение труб при изменении их температуры. Кроме того, преимущество теплообменников с U-образнымитрубами заключается вотсутствии разъемного соединения внутри кожуха (в отличии от ТА с плавающей головкой), что позволяет успешно применять их при повышенных давлениях теплоносителей, движущихся в трубном пространстве. Недостатком таких аппаратов является трудность чистки внутренней и наружной поверхности труб, вследствие чего они используются преимущественно для чистых продуктов.

Рис. 4. Кожухотрубчатый теплообменник с U-образнымитеплообменными трубами:

1 -распределительная камера; 2 -трубная решетка; 3 -кожух; 4 -теплообменная труба; 5 -поперечная перегородка; 6 -крышка кожуха; 7 -опора; 8 -катковая опора трубного пучка

Эффективность кожухотрубчатых теплообменных аппаратов повышается с увеличением скорости движения потоков теплоносителей и степени их турбулизации. Для увеличения скорости движения потоков в межтрубном пространстве и их турбулизации, повышения качества омывания поверхности теплообмена в межтрубное пространство кожухотрубчатых теплообменных аппаратов устанавливаются специальные поперечные перегородки. Они также выполняют роль опор трубчатого пучка, фиксируя трубы в заданном положении, и уменьшают вибрацию труб.

На рис. 5 показаны поперечные перегородки различных типов. Наибольшее распространение получили сегментные перегородки (рис. 5а).

Рис. 5. Поперечные перегородки кожухотрубных аппаратов:

а - с сегментным вырезом; б - с секторным вырезом; в - перегородки «диск-кольцо»; г - с щелевым вырезом; д - «сплошные»

Поперечные перегородки с секторным вырезом (рис. 5б) оснащены дополнительной продольной перегородкой, равной по высоте половине внутреннего диаметра кожуха аппарата. Секторный вырез, по площади равный четверти сечения аппарата, располагают в соседних перегородках в шахматном порядке. При этом теплоноситель в межтрубном пространстве совершает вращательное движение то по часовой стрелке, то против нее.

Аппараты со «сплошными» перегородками (рис. 5д) используются обычно для чистых жидкостей. В этом случае жидкость протекает по кольцевому зазору между теплообменными трубами и отверстиями в перегородках.

Для повышения тепловой мощности теплообменных аппаратов при неизменных длинах труб и габаритах теплообменника используется оребрение наружной поверхности теплообменных труб. Оребренные теплообменные трубы применяются в тех случаях, когда со стороны одного из теплоносителей трудно обеспечить высокий коэффициент теплоотдачи (газообразный теплоноситель, вязкая жидкость, ламинарное течение и т.д.). На рис. 6приведены варианты наружного оребрения теплообменных труб.

Рис. 6.Оребренные трубы:

а -с приварными «корытообразными» ребрами; б-с завальцованными ребрами; в -с винтовыми накатанными ребрами; г-с выдавленными ребрами; д -с приварными шиловидными ребрами

Для интенсификации теплоотдачи в трубном пространстве используются методы воздействия на поток устройствами, которые турбулизируют теплоноситель в теплообменных трубах. Для этой цели применяются различного рода турбулизирующие вставки, варианты исполнения которых представлены на рис. 7.

Рис. 7. Теплообменные трубы с турбулизаторами:

а -шнековые завихрители; б -ленточные завихрители; в -диафрагмовые трубы с вертикальными канавками; г -диафрагмовые трубы с наклонными канавками; д -проволочные турбулизаторы; е -турбулизирующие вставки

В кожухотрубных теплообменных аппаратах теплоноситель, поступая в межтрубное пространство, в силу конструктивных особенностей делится на несколько потоков (рис. 8):

А – основной поперечный поток;

B– перетоки в щелях между отверстиями в поперечных перегородках и теплообменными трубами;

C– перетоки между кромками перегородок и кожухом;

D– байпасный поток через зазор между пучком труб и кожухом.

Разделение потока теплоносителя, поступающего в межтрубное пространство, на несколько потоков значительно усложняет гидродинамическую картину движения теплоносителя по сравнению с поперечным омыванием пучков труб и оказывает существенное влияние как на конвективный теплообмен, так и на падение давления теплоносителя. Распределение потоков в межтрубном пространстве зависит от конструктивных характеристик теплообменного аппарата, оптимизация которых является главной задачей при создании новых теплообменников.

Рис. 8. Схема потоков теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника:

A- основной поперечный поток; В - перетоки в щелях между отверстиями в перегородках и трубами;C- перетоки между кромкой перегородки и кожухом;D- байпасный поток через зазор между пучком труб и кожухом

Учет распределения потоков теплоносителя в межтрубном пространстве необходим, так как в противном случае возможны значительные ошибки при определении среднего коэффициента теплоотдачи  и падения давления теплоносителя p , которые могут составить от 50 до 150 %.

В зависимости от совершенства конструкции теплообменного аппарата меняется и распределение потоков в межтрубном пространстве. При турбулентном режиме течения основной поток (A) не превышает 40 % от всего потока теплоносителя, а при ламинарном – 25 %.

В условиях рыночной экономики можно причислить к основным факторам, оказывающим непосредственное влияние на определение стратегии технологического переоснащения и технического перевооружения любого предприятия. Надежность, экономичность, доступность гарантийного и сервисного обслуживания сегодня являются базовыми элементами, на которых зиждется экономическая успешность и процветание всех участников экономических отношений.

При закупке новых видов оборудования любая организация руководствуется в первую очередь вышеуказанными критериями. Высококачественные кожухотрубные теплообменники как раз являются таким эффективным и экономичным оборудованием. Сегодня актуальность этих аппаратов для предприятий любого профиля и направленности даже не подвергается сомнениям. В нынешнее время теплообменники кожухотрубные наиболее широкое применение нашли в нефтехимической, химической и пищевой промышленности, в жилищно-коммунальном хозяйстве и энергетической отрасли.

Наглядность, яркость таких новейших технико-экономических решений, имеющих немало преимуществ по сравнению с морально устаревшими типами оборудования, в последнее время привлекают все больше предприятий различных отраслей народного хозяйства. Ведь кожухотрубные теплообменники позволяют значительно снизить расход теплоресурсов, что позитивно сказывается на себестоимости продукции и, следовательно, на ее конечной цене. А это необычайно важно в современных экономических реалиях с их условиями жесткой конкуренции.

Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, где происходит процесс теплообмена между различными рабочими средами (вне зависимости от их технологической спецификации и энергетического предназначения). Как правило, такие устройства выполняют функции подогревателей, испарителей, конденсаторов, пастеризаторов, деаэраторов, экономайзеров и др.

Кожухотрубные теплообменники могут иметь чрезвычайно многообразное технологическое назначение и использоваться в производстве самого различного профиля. Спектр их применения сегодня необычайно широк. Теплообменник кожухотрубный, основными конструкционными элементами которого являются пучки труб с решетками, корпус, патрубки и крышки, может использоваться в качестве агрегата, в котором передача тепловой энергии является основным технологическим процессом, или как реактор, в котором теплообмен носит исключительно вспомогательный характер.

Принцип работы кожухотрубных теплообменников базируется на процессе теплопередачи от среды, движущейся с высокой скоростью внутри труб небольшого диаметра, к среде, циркулирующей в кожухе. С целью увеличения интенсификации процесса теплообмена такие агрегаты часто оснащаются специальными перегородками в трубном и межтрубном пространствах.

Кожухотрубные теплообменники могут иметь вертикальную, горизонтальную или наклонную пространственную ориентацию (в зависимости от требований и в соответствии с удобством монтажа). Такие агрегаты являются полноценной альтернативой пластинчатым теплообменникам, в сравнении с которыми хоть и имеют более низкий КПД передачи энергии, но зато обладают относительной простотой конструкции, а также низкой стоимостью, что может быть решающим аргументом при выборе подобного оборудования.