Кожухотрубный теплообменник: технические характеристики и принцип работы. Преимущества пластинчатых теплообменников перед кожухотрубными

Вертикальные и горизонтальные подогреватели

Теплообменники различаются по многим особенностям конструкции, используемых теплоносителях, направлению потоков, максимально допустимым давлениям, смешиванием или несмешиванием потоков. Но одними из параметров, наиболее влияющим на компоновку помещений для монтажа вспомогательного котельного оборудования является его тип, вертикальный или горизонтальный подогреватель, который необходимо определить заранее, для уточнения необходимой площади под агрегат. Давайте разберемся, чем отличаются эти два типа.

Вертикальные теплообменники

Главное их преимущество в небольшой занимаемой площади, используя подобный тип теплообменных аппаратов можно максимально плотно скомпоновать площади для вспомогательного оборудования котельной или теплоцентрали. Также подобные агрегаты более выгодны при низких скоростях потоков теплоносителей в них снижается возможность появления застойных явлений благодаря сохранению в некоторой степени, конвекционного движения сред. При выполнении теплообменника по схеме со смешиванием сред подобная компоновка является наиболее оптимальной за счет возможности в полной мере использовать перемешивание слоев силами гравитации. Еще один плюс подобного типа - простота в эксплуатации. Но есть и некоторые ограничения на использование аппаратов подобного типа, например:

1. При достаточно большой мощности они имеют приличные габариты по высоте, что требует соответствующих отметок перекрытий, на площадке где они установлены;
2. Для обслуживания мощных вертикальных теплообменников необходимо использование кранового оборудования, а не все производственные помещения оснащены им;
3. Для осмотра и технического обслуживания необходимо устраивать площадки, лестницы и переходы - таким образом, в некоторой степени снижается выигрыш по уменьшению площади, и накладываются дополнительные требования по обеспечению безопасности персонала.

Горизонтальные теплообменники

Как правило, по данному типу выполняются достаточно мощные агрегаты с большими скоростями движения потоков. Главный плюс подобного типа - небольшой габарит по высоте а, следовательно, удобство в обслуживании, зачастую многие элементы можно демонтировать без использования кран балки. Но это, же выливается и в главный минус горизонтальных теплообменников - большая занимаемая площадь. Хотя всегда есть варианты, когда можно расположить подобный агрегат между опорами более габаритного теплового оборудования. К недостаткам подобного типа относится и возможность расслоения жидкостей при небольших скоростях потока, при неинтенсивном движении теплоносителей, как правило, всегда используют вертикальные теплообменники.

Как известно, существует множество типов теплообменников (ТО). Они разделяются на поверхностные (рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой) и смесительные. ТО поверхностного типа в свою очередь делятся на кожухотрубные, типа «труба в трубе», витые, погружные, оросительные, спиральные, пластинчатые и кожухопластинчатые.

Кожухотрубный теплообменник представляет собой пучок трубок, помещенных в цилиндрический кожух (корпус) таким образом, что внутренность корпуса является межтрубным пространством. Теплообменные трубки завальцованы в концевых трубных досках, приваренных к корпусу теплообменника. В некоторых кромки трубок дополнительно обвариваются для гарантии герметичности соединения. Промежуточные трубные решетки предназначены как для поддержки трубок, так и для организации поперечного тока среды. К трубным доскам крепятся камеры с патрубками для отвода среды, текущей внутри трубок. В зависимости от наличия и количества в камерах перегородок, теплообменники могут быть одноходовыми, двух- или многоходовыми относительно движения среды, текущей в трубках. Также корпус снабжен патрубками для подвода пара и отвода конденсата. Трубки изготавливают из углеродистой или нержавеющей стали, меди, латуни или титана. Корпус обычно выполняется из углеродистой или нержавеющей стали. Когда теплообменник нагревается, происходит его удлинение. Существует несколько способов компенсации температурных расширений, например, применение «плавающей головки» или межсекционных компенсаторов. Кожухотрубные теплообменники обычно используются при давлении насыщенного пара выше 15 бари или при температуре выше 190°С, а также при перегретом паре.

Преимущества и недостатки
Кожухотрубные теплообменники характеризуются стойкостью к гидроударам, пониженными требованиями к чистоте сред, относительно низким коэффициентом теплопередачи и, как следствие, большими габаритами и площадями, требуемыми для обслуживания, а также высокой ценой из-за большой металлоемкости. Кроме того, ремонт таких теплообменников обычно связан с заглушкой поврежденных трубок, что ведет к уменьшению площади теплообмена. Поэтому обычно теплообменники выбираются с большим запа¬сом по поверхности, что также обуславливает их большие габа¬риты.
Попытка регулирования по конденсату на горизонтальных кожухотрубных теплообменниках вызывает сложности. Это про¬исходит по причине того, что при незначительном изменении уровня конденсата, площадь теплообмена меняется нелинейно и намного существеннее.
Тем не менее, современные кожухотрубные теплообменники по показателям эффективности, коэффициента теплопередачи и габаритам приближаются к пластинчатым и кожухопластинчатым теплообменникам.
Это достигается за счет применения так называемых турбу лизаторов потока - перегородок в трубках и межтрубном пространстве, а также рифленых трубок, в которых поток среды сильно турбулизирован, что ведет к повышению коэффициента теплопередачи, и, как следствие, к уменьшению габаритов. В последнее время для уменьшения использования производственной площади применяются вертикальные кожухотрубные теплообменники. Они позволяют организовать регулирование по конденсату, если это необходимо.

Применение
Кожухотрубные теплообменники чаще всего применяются в химической, нефтяной, газовой промышленности, а также большой теплоэнергетике, где используются теплоносители высоких параметров. Кроме этого их можно встретить на пивном, молочном и других пищевых производствах.

Опыт компании Spirax Sarco (http://www.spiraxsarco.com/ru) показывает, что грамотная обвязка теплообменного оборудования позволяет снизить паропотребление в ряде случаев на 40 % с одновременным обеспечением более высокой точности поддержания температурных режимов. Технико-экономические расчеты показывают, что в девяти из десяти случаев инвестиции по оптимизации тепловых пунктов полностью окупаются за один год.

Ниже приведен список основных преимуществ разборных ПТО.

1. Компактность и высокая эффективность

КПД пластинчатого теплообменника для отопления и горячего водоснабжения 80-85%. При относительно небольших размерах, суммарная площадь поверхности всех пластин может достигать нескольких квадратных километров. 99,0-99,8% от общей площади — теплопередающая поверхность. Присоединительные порты находятся на одной стороне, это упрощает монтаж и подключение. Двухступенчатый теплообменник позволяет уменьшить площадь под ИТП (индивидуальный тепловой пункт). При проведении ремонтных работ требуется меньшая площадь, чем при использовании кожухотрубного теплообменного аппарата.

2. Низкие потери давления в ПТО

Конструкция пластинчатого теплообменника позволяет плавно менять общую ширину канала. Снижение максимальной величины допустимых гидравлических потерь достигается за счет увеличения количества каналов. Уменьшение гидравлического сопротивления снижает расход электроэнергии на насосах.

3. Экономичность, низкие трудозатраты и короткие сроки ремонта

Стоимость монтажа часто не превышает 2-4 % от стоимости оборудования. Разбор и промывку пластинчатого теплообменника специалист может провести за несколько часов. При небольших загрязнениях можно использовать безразборную промывку. Срок службы уплотнений ПТО, при правильной эксплуатации, достигает десяти лет, пластин — 15-20 лет. Стоимость замены всех уплотнений не превышает 15-20% от стоимости аппарата, при этом не обязательно менять сразу весь пакет.

4. Низкая загрязняемость

В теплообменных пластинах используются профили каналов, позволяющие добиться высокой турбулентности потока и как следствие — самоочищаемости. Это позволяет увеличить интервалы между сервисным обслуживанием.

5. Гибкость

Конструкция ПТО позволяет менять поверхность теплообмена для увеличения мощности. При росте потребностей, можно добавлять пластины без замены всего аппарата.

6. Индивидуальность

Программа завода изготовителя, позволяет специалисту произвести расчет и подобрать конфигурацию оборудования в соответствии с необходимыми температурными графиками и потерями давления по обоим контурам. Расчет по времени занимает 1-2 часа. Даже теплоноситель с заниженной температурой в системах теплоснабжения позволяет нагревать воду в ПТО до нужной температуры.

7. Устойчивость к вибрациям

Пластинчатые теплообменники высокоустойчивы к наведенной двухплоскостной вибрации, вызывающей повреждения трубчатого теплообменного аппарата.

Применение разборных теплообменных аппаратов позволяет достичь снижения затрат на 20-30% и более эффективно использовать источники энергии, повышая их КПД. Окупаемость ПТО в теплоэнергетике колеблется от 2 до 5 лет, а в некоторых случаях достигается за нескольких месяцев.

Расчет пластинчатого теплообменника

Чтобы узнать цену и купить пластинчатый теплообменник , нужно заполнить Опросный лист и отправить его по электронной почте info@сайт

Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. По ГОСТ 9929 стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: ТН - с неподвижными трубными решетками; ТК - с температурным компенсатором на кожухе; ТП - с плавающей головкой; ТУ - с U-образными трубами; ТПК - с плавающей головкой и компенсатором на ней (рис. 2.19).

В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями; их изготовляют одно- и многоходовыми.

Кожухотрубчатый аппарат с неподвижной трубной решеткой (типа ТН) представлен на рис. 2.20. Такие аппараты имеют цилиндрический кожух 1 , в котором расположен трубный пучок2 ; трубные решетки3 с развальцованными трубками крепятся к корпусу аппарата. С обоих концов теплообменный аппарат закрыт крышками4 . Аппарат оборудован штуцерами5 для теплообменивающихся сред; одна среда идет по трубкам, другая проходит через межтрубное пространство.

Теплообменники этой группы изготовляют на условное давление 0,6…4,0 МПа, диаметром 159…1200 мм, с поверхностью теплообмена до 960 м2; длина их до 10 м, масса до 20 т. Теплообменники этого типа применяют до температуры 350 °С.

Предусмотрены различные варианты материального исполнения конструктивных элементов теплообменных аппаратов. Корпус аппарата изготовляют из сталей ВСтЗсп, 16ГС или биметаллическим с защитным слоем из сталей 08X13, 12Х18Н10Т, 10Х17Н13М2Т. Для трубного пучка применяют трубы из сталей 10, 20 и Х8 с размерами 25×2, 25×2,5 и 20×2 мм, из высоколегированных сталей 08X13, 08Х22Н6Т, 08Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т с размерами 25×1,8 и 20×1,6 мм, а также трубы из алюминиевых сплавов и латуни. Трубные решетки изготовляют из сталей 16ГС, 15Х5М, 12Х18Н10Т, а также биметаллическими с наплавкой высоколегированного хромоникелевого сплава или слоя латуни толщиной до 10 мм.

Рис. 2.20. Схема одноходового теплообменного аппарата типа ТН(вертикальное исполнение):

1 - кожух; 2 - трубки; 3 - трубная решетка; 4 - крышки; 5 - штуцера

Рисунок 2.19. Основные типы кожухотрубчатых теплообменных аппаратов:

а) – с неподвижными решетками (ТН) или с компенсатором на кожухе (ТК); б) – с плавающей головкой; в) – с U-образными трубками

Особенностью аппаратов типа ТН является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки с корпусом. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого

типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху в стальных приведены на рис. 2.21.

Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках размещают так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например приваренные к кожуху продольные полосы (рис. 2.22а ) или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха (рис. 2.22б ).

Рис. 2.21. Некоторые варианты крепления трубных решеток к кожуху аппарата

В кожухотрубчатых теплообменниках для достижения больших коэффициентов теплоотдачи необходимы достаточно высокие скорости теплоносителей: для газов 8…30 м/с, для жидкостей не менее 1,5 м/с. Скорость теплоносителей обеспечивают при проектировании соответствующим подбором площади сечения трубного и межтрубного пространства.

Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то в результате теплового расчета определяют коэффициент теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной камере. Промышленностью выпускаются двух-, четырех- и шестиходовые теплообменники жесткой конструкции.

Двухходовой горизонтальный теплообменник типа ТН (рис. 2.23) состоит из цилиндрического сварного кожуха 5 , распределительной камеры11 и двух крышек4 . Трубный пучок образован трубами7 , закрепленными в двух трубных решетках3 . Трубные решетки приварены к кожуху. Крышки, распределительная камера и кожух соединены фланцами. В кожухе и распределительной камере выполнены штуцера для ввода и вывода теплоносителей из трубного (штуцера1 ,12 ) и межтрубного (штуцера2 ,10 ) пространств. Перегородка13 в распределительной камере образует ходы теплоносителя по трубам. Для герметизации узла соединения продольной перегородки с трубной решеткой использована прокладка14 , уложенная в паз решетки3 .

Поскольку интенсивность теплоотдачи при поперечном обтекании труб теплоносителем выше, чем при продольном, в межтрубном пространстве теплообменника установлены зафиксированные стяжками 5 поперечные перегородки6 , обеспечивающие зигзагообразное по длине аппарата движение теплоносителя в межтрубном пространстве. На входе теплообменной среды в межтрубное пространство предусмотрен отбойник9 - круглая или прямоугольная пластина, предохраняющая трубы от местного эрозионного изнашивания.

Достоинством аппаратов этого типа является простота конструкции и, следовательно, меньшая стоимость.

Однако им присущи два крупных недостатка. Во-первых, очистка межтрубного пространства подобных аппаратов сложна, поэтому теплообменники такого типа применяются в тех случаях, когда среда, проходящая через межтрубное пространство, является чистой, не агрессивной, т. е. когда нет необходимости в чистке.

Во-вторых, существенное различие между температурами трубок и кожуха в этих аппаратах приводит к большему удлинению трубок по сравнению с кожухом, что обусловливает возникновение температурных напряжений в трубной решетке 5 , нарушает плотность вальцовки труб в решетке и ведет к попаданию одной теплообменивающейся среды в другую. Поэтому теплообменники этого типа применяют при разнице температур теплообменивающихся сред, проходящих через трубки и межтрубное пространство не более 50 °C и при сравнительно небольшой длине аппарата.

Теплообменные аппараты с температурным компенсатором типа ТК (рис. 2.24) имеют неподвижные трубные решетки и снабжены специальными гибкими элементами для компенсации различия в удлинении кожуха и труб, возникающего вследствие различия их температур.

Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК отличается от теплообменника типа ТН наличием вваренного между двумя частями кожуха 1 линзового компенсатора2 и обтекателя3 (рис. 2.25). Обтекатель уменьшает гидравлическое сопротивление межтрубного пространства такого аппарата; обтекатель приваривают к кожуху со стороны входа теплоносителя в межтрубное пространство.

Наиболее часто в аппаратах типа ТК используют одно- и многоэлементные линзовые компенсаторы), изготовляемые обкаткой из коротких цилиндрических обечаек. Линзовый элемент, показанный на рисунке 2.25б , сварен из двух полулинз, полученных из листа штамповкой. Компенсирующая способность линзового компенсатора примерно пропорциональна числу линзовых элементов в нем, однако применять компенсаторы с числом линз более четырех не рекомендуется, так как резко снижается сопротивление кожуха изгибу. Для увеличения компенсирующей способности линзового компенсатора он может быть при сборке кожуха предварительно сжат (если предназначен для работы на растяжение) или растянут (при работе на сжатие).

При установке линзового компенсатора на горизонтальных аппаратах в нижней части каждой линзы сверлят дренажные отверстия с заглушками для слива воды после гидравлических испытаний аппарата.

Рис. 2.24. Вертикальный кожухотрубчатый теплообменник типа ТК

Кожухотрубный теплообменник: технические характеристики и принцип работы

Сейчас мы с вами рассмотрим технические характеристики и принцип работы кожухотрубных теплообенников, а так же расчёт их параметров и особенности выбора при покупке.

Теплообменники обеспечивают процесс обмена теплом между жидкостями, каждая из которых имеет разную температуру. В настоящее время кожухотрубный теплообменник с большим успехом нашел свое применение в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, газовой. При их изготовлении не возникает сложностей, они надежны и имеют возможность развивать большую поверхность теплообмена в одном аппарате.

Получили такое название благодаря наличию кожуха, скрывающего внутренние трубы.

Устройство и принцип действия

Строение: конструкция из пучков труб, закрепленных в трубных досках (решетках) крышек, кожухов и опор.

Принцип, по которому осуществляет свою деятельность кожухотрубчатый теплообменник довольно прост. Он заключается в движении холодного и горячего теплоносителей по разным каналам. Теплообмен происходит именно между стенками этих каналов.

Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника

Преимущества и недостатки

Сегодня кожухотрубные теплообменники пользуются спросом у потребителей и не теряют своих позиций на рынке. Это обусловлено немалым количеством достоинств, которыми обладают эти устройства:

1. Высокая стойкость к . Это помогает им легко переносить перепады давления и выдерживать серьезные нагрузки.
2. Не нуждаются в чистой среде. Это значит, что они могут работать с некачественной жидкостью, не прошедшей предварительной очистки, в отличие от множества других видов теплообменников, которые способны работать исключительно в не загрязненных средах.
3. Высокая эффективность.
4. Износостойкость.
5. Долговечность. При должном уходе кожухотрубчатые агрегаты будут работать на протяжении многих лет.
6. Безопасность использования.
7. Ремонтопригодность.
8. Работа в агрессивной среде.

Учитывая вышеизложенные преимущества, можно утверждать об их надежности, высокой эффективности и долговечности.

Кожухотрубные теплообменники в промышленности

Несмотря на большое количество отмеченных преимуществ кожухотрубных теплообменников, данные устройства имеют и ряд недостатков:

• габаритность и значительный вес: для их размещения необходимо помещение значительных размеров, что не всегда является возможным;
• высокая металлоемкость : это является основной причиной их высокой цены.

Виды и типы кожухотрубных теплообменников

Классифицируются кожухотрубные теплообменники в зависимости от того, в каком направлении двигается теплоноситель .

Выделяют следующие виды по этому критерию:

• прямоточный;
• противоточный;
• перекресточный.

Количество трубок, находящихся в сердце кожуха, напрямую влияет на то, с какой скоростью будет двигаться вещество, а скорость оказывает непосредственное влияние на коэффициент теплопередачи .

Учитывая данные характеристики, кожухотрубные теплообменники бывают следующих типов:

• c температурным кожуховым компенсатором;
• c неподвижными трубками;
• c плавающей головкой;
• c U-образными трубками.

Модель с U-образными трубками состоит из одной трубной решетки, в которую и вварены данные элементы. Это позволяет округленной части трубки беспрепятственно опираться на поворотные щитки в корпусе, при этом они имеют возможность линейно расширяться, что позволяет их использовать в больших диапазонах температур. Для чистки U-трубок требуется вынимать всю секцию с ними и использовать специальные химические средства.

Расчет параметров

Долгое время кожухотрубные теплообменники считались самыми компактными среди существующих. Однако появились , которые в три раза компактнее кожухотрубных. К тому же, особенности конструкции подобного теплообменника приводят к возникновению температурных напряжений из-за различия температур между трубами и кожухом. Поэтому при выборе подобного агрегата очень важно сделать его грамотный расчет.

Формула расчёта площади кожухотрубчатого теплообменника

F — площадь поверхности теплообмена;
t ср – средняя разность температур между теплоносителями ;
К – коэффициент теплопередачи;
Q — количество теплоты.

Для проведения теплового расчета кожухотрубного теплообменника необходимы следующие показатели:

• максимальный расход греющей воды;
• физические характеристики теплоносителя : вязкость, плотность, теплопроводность, конечная температура, теплоемкость воды при средней температуре.

При осуществлении заказа кожухотрубчатого теплообменника важно знать, какими техническими характеристиками он обладает:

• давление в трубах и кожухе;
• диаметр кожуха;
• исполнение (горизонтальное\вертикальное);
• тип трубных решеток (подвижные\неподвижные);
• климатическое исполнение.

Самостоятельно сделать грамотный расчет достаточно сложно. Для этого необходимы знания и глубокое понимание всей сути процесса его работы, поэтому лучшим способом станет обращение к специалистам.

Эксплуатация трубчатого теплообменника

Кожухотрубный теплообменник является устройством, которое характеризуется высокой продолжительностью срока службы и хорошими параметрами эксплуатации. Однако, как и любому другому устройству, для качественной и долговременной работы ему необходимо плановое обслуживание. Поскольку в большинстве случаев кожухотрубные теплообменники работают с жидкостью, которая не прошла предварительную очистку, трубки агрегата рано или поздно засоряются и на них образуется осадок и создается препятствие для свободного протекания рабочей жидкости.

Чтобы эффективность работы оборудования не снижалась и не произошла поломка кожухотрубного агрегата, следует систематически проводить его чистку и промывку.

Благодаря этому он сможет осуществлять качественную работу на протяжении длительного времени. По истечению срока действия прибора, рекомендуется осуществить замену его на новый.

Если возникла потребность в ремонте трубчатого теплообменника, то первоначально необходимо произвести диагностику устройства. Это позволит выявить основные проблемы и определит объем предстоящей работы. Самая слабая его часть — это трубки, и, чаще всего, основным поводом ремонта является повреждение трубчатки.

Для диагностики кожухотрубного теплообменника используется метод гидравлических испытаний.

В сложившейся ситуации необходимо произвести замену трубок, а это трудоемкий процесс. Необходимо заглушить вышедшие из строя элементы, в свою очередь это сокращает площадь теплообменной поверхности. Осуществляя ремонтные работы, обязательно нужно учитывать тот факт, что любое, даже малейшее вмешательство, может стать причиной уменьшения теплообмена.

Теперь вы знаете, как устроен кожухотрубный теплообменник, какие есть у него разновидности и особенности.