Кожухотрубні теплообмінники: конструкція, технічні характеристики, виробництво

Теплообмінником називається пристрій, в якому здійснюється передача тепла між теплоносіями.

Принцип дії

Кожухотрубні теплообмінники відносяться до типу рекуперативних, де середовища розділені стінками. Робота їх полягає в процесах теплообміну між рідинами. При цьому може відбуватися зміна їх агрегатного стану. Теплообмін також може проводитися між рідиною і пором або газом.

Переваги і недоліки

Кожухотрубні теплообмінники поширені, завдяки таким позитивним якостям:

стійкість до механічних впливів і гідроударів;

невисокі вимоги до чистоти середовищ;

висока надійність і довговічність;

широкий модельний ряд;

можливість застосування з різними середовищами.

До недоліків даного типу моделей відносяться:

мала величина коефіцієнта теплопередачі;

значні габарити і висока металоємність;

висока ціна за підвищеної металоємності;

необхідність застосування пристроїв з великим запасом у зв'язку з заглушкою пошкоджених трубок при ремонтах;

коливання рівня конденсату нелінійно змінює теплообмін у пристроях горизонтального виконання.

Кожухотрубні теплообмінники володіють низьким коефіцієнтом теплопередачі. Почасти це пов'язано з тим, що простір корпусу в 2 рази більше загального поперечного перерізу трубок. Застосування напрямних перегородок дає можливість підвищити швидкість рідини і поліпшити теплообмін.




В міжтрубному просторі проходить теплоносій, а по трубках подається нагрівається середовище. Аналогічним чином вона може також охолоджуватися. Ефективність теплообміну забезпечується за рахунок збільшення числа трубок або створенням поперечного струму зовнішнього теплоносія.

Компенсація температурних подовжень

Температура теплоносіїв різна і в результаті відбувається теплова деформація елементів конструкції. Кожухотрубний теплообмінник виконується з компенсацією подовження або без неї. Жорстке кріплення трубок допускається при різниці температури між ним і корпусом до 25-30 0 С. Якщо вона перевищує ці межі, застосовуються такі температурні компенсатори.

"Плаваюча" головка - одна з решіток не має з'єднання з кожухом і вільно переміщається в осьовому напрямку при подовженні трубок. Конструкція є найбільш надійною.

На корпусі виконаний лінзовий компенсатор у вигляді гофра, який може розширюватися або стискуватися.

Сальниковий компенсатор встановлений на верхньому днищі, який має можливість переміщатися разом з решіткою при температурному розширенні.

U-образні труби вільно подовжуються в середовищі теплоносія. Недоліком є складність виготовлення.

Типи кожухотрубних теплообмінників

Конструктивне виконання апаратів відрізняється простотою, на них завжди є попит. Циліндричним корпусом служить сталевий кожух великого діаметру. На його крайках виконані фланці, на яких встановлені кришки. В трубних дошках всередині корпусу закріплені зварюванням або развальцовкой трубні пучки.




Матеріалом для трубок служить сталь, мідь, латунь, титан. Сталеві дошки кріплять між фланцями або приварюють до кожуха. Між ними і корпусом всередині утворюються камери, через які проходять теплоносії. Також там є перегородки, що змінюють рух рідин, що проходять через кожухотрубні теплообмінники. Конструкція дозволяє змінювати швидкість та напрямок потоку, що проходить між трубками, тим самим збільшивши інтенсивність теплообміну. Пристрої можуть розташовуватися в просторі вертикально, горизонтально або з нахилом. Різні типи кожухотрубних теплообмінників відрізняються розташуванням перегородок і пристроєм компенсаторів температурних подовжень. При малому числі трубок в пучку кожух має невеликий діаметр, і поверхні теплообміну виходять невеликими. Для їх збільшення теплообмінники послідовно з'єднуються в секції. Найпростішою є конструкція "труба в трубі", яку часто виготовляють самостійно. Для цього необхідно правильно підібрати діаметри внутрішньої і зовнішньої труби та швидкість потоків теплоносіїв. Зручність чищення і ремонту забезпечується за рахунок колін, якими з'єднуються сусідні секції. Цю конструкцію часто використовують як пароводяні кожухотрубні теплообмінники. Спіральні теплообмінні апарати являють собою канали, виконані прямокутної форми і зварені з листів, за якими переміщуються теплоносії. Перевагою є більша поверхня контакту з рідинами, а недоліком - низьке допускаемое тиск.

Нові конструкції теплообмінників

В наш час починає розвиватися виробництво компактних теплообмінників з рельєфними поверхнями та інтенсивним рухом рідин. В результаті їх технічні характеристики наближаються до пластинчастим апаратів. Але виробництво останніх також розвивається, і наздогнати їх складно. Заміна кожухотрубних теплообмінників на пластинчасті доцільна, завдяки наступним перевагам:

коефіцієнт теплопередачі гофрованого профілю пластини в 3-4 рази більше;

легкість розбирання і ремонту;

компактність, завдяки невеликим відстаням між пластинами.

До недоліків відноситься швидка забрудненість пластин із-за малої величини зазорів між ними. Якщо добре фільтрувати теплоносії, теплообмінний апарат буде працювати довго. Дрібні частинки не утримуються на полірованих пластинах, а турбулізація рідин також попереджає осадження забруднень.

Підвищення інтенсивності теплообміну апаратів

Фахівці постійно створюють нові кожухотрубні теплообмінники. Технічні характеристики поліпшуються за рахунок застосування таких способів:

створення турбулентних потоків;

виготовлення спіральних вставок, що створюють поздовжнє і поперечне обтікання трубок;

виготовлення профільованих, оребрених і кручених труб;

застосування газо-рідинних сумішей;

вібрація поверхонь теплообміну або пульсуючий подача теплоносіїв;

комбінація декількох методів, наприклад, закручування потоку і ребра.

Турбулізація потоків рідин значно зменшує солеотложение на стінках труб. За рахунок цього не потрібні заходи по їх очищенню, які необхідні для гладких поверхонь. Виробництво кожухотрубних теплообмінників з впровадженням нових методів дозволяє підвищити в 2-3 рази ефективність тепловіддачі. Враховуючи додаткові енерговитрати і вартість, виробничники частіше намагаються замінити теплообмінник на пластинчастий. Порівняно із звичайними кожухотрубні вони краще по теплопередачі на 20-30 %. Це більше пов'язано з освоєнням виробництва нової техніки, яка поки що йде зі складнощами.

Експлуатація теплообмінників

Апарати потребують періодичного огляду та контроль за роботою. Параметри, наприклад, температура, вимірюються за їх значеннями на вході і виході. Якщо ефективність роботи знизилася, потрібно перевірити стан поверхонь. Особливо впливають сольові відкладення на термодинамічні параметри теплообмінників, де мала величина зазорів. Очищення поверхонь проводиться хімічним способом, а також за рахунок застосування ультразвукових коливань і турбулізації потоків теплоносіїв. Ремонт кожухотрубних апаратів в основному полягає в запаивании дірявих трубок, що погіршує їх технічні характеристики.

Висновок

Оптимальні кожухотрубні теплообмінники конкурують з пластинчастими і можуть застосовуватися в багатьох областях техніки. Нові конструкції мають значно менші габарити і металоємність, що дозволяє знизити робочі площі і зменшити витрати на створення і експлуатацію.