Кожухотрубные теплообменники - принцип работы

Автор:
Шелопаев Андрей Юрьевич

Дата публикации:
18 Марта 2024 г.

Длительность чтения:
6 мин.

Поделиться:

---

Оглавление:

• Область применения
• Строение
  • Оболочка
  • Трубки
  • Перегородки
• Типы
• Международные стандарты

Кожухотрубный теплообменник – это важный тип устройств для передачи тепла, состоящий из кожуха с рядом трубок внутри. Один поток жидкости проходит через эти трубки, в то время как другой поток окружает их (внутри кожуха), обеспечивая теплообмен между ними. Эти устройства широко используются для рекуперации тепла между различными технологическими потоками.

Область применения

Кожухотрубные теплообменники находят применение в различных отраслях, включая энергетику, системы кондиционирования и охлаждения воздуха, а также нефтехимию, химию, ядерную и криогенную промышленности. Они представлены в различных формах и размерах, начиная от крупных, как конденсаторы на электростанциях, до крошечных, как охладители электроники, передающие небольшие энергетические потоки.

Эти устройства являются неотъемлемой частью промышленных процессов, где требуется передача тепла между различными потоками. Любой процесс, связанный с нагревом, охлаждением, конденсацией, кипением или испарением, требует применения теплообменника. Подробнее о применении кожухотрубных теплообменников.

Строение

Структура кожухотрубных теплообменников включает ряд трубок, в которых циркулирует жидкость, подлежащая нагреву или охлаждению. Тепло передается через стенки трубы либо от жидкости к жидкости через стенку трубы, либо в обратном направлении. Это позволяет работать с жидкостями при различных давлениях: как правило, жидкость под высоким давлением проходит через трубки, а жидкость под низким давлением циркулирует в кожухе.

Трубчатый пучок может включать различные типы труб, такие как гладкие или с продольной оребренностью. Кожухотрубные теплообменники широко применяются в приложениях с давлением более 30 бар и температурой выше 260°C.

Оболочка

Оболочка теплообменника может быть изготовлена из трубы или листового металла, чаще всего из низкоуглеродистой стали для экономии средств. Однако встречаются и другие материалы, подходящие для работы в экстремальных условиях или при высокой коррозионной нагрузке. Использование стандартных труб позволяет сократить затраты и упростить производство благодаря их более правильной форме по сравнению с коваными или сварными оболочками.

Важно, чтобы внутренний диаметр кожуха был равномерным для минимизации пространства между внешней стенкой трубы и кожухом, ибо излишнее пространство может привести к уменьшению эффективности и производительности теплообменника.

Трубки

• Трубки для теплообменника изготавливаются либо методом бесшовной экструзии, либо сваркой
• Бесшовные трубы создаются путем экструзии материала, в то время как сварные формируются скручиванием полосы металла в цилиндр и последующей сваркой
• Материалы для трубок могут быть различными, включая низкоуглеродистую сталь, нержавеющую сталь, титан, инконель, медь и другие
• Важно, чтобы толщина стенок трубок была достаточной для выдерживания давления как изнутри, так и снаружи, а также для компенсации тепловых нагрузок из-за различий в температуре между оболочкой и пучком труб. Увеличение длины трубки приводит к уменьшению диаметра оболочки из-за увеличения давления на нее
• Иногда применяются трубки большего диаметра для упрощения очистки или снижения перепада давления
• Увеличение количества трубок в кожухе способствует повышению турбулентности и улучшает эффективность теплообмена
• Ребристые трубы используются в случаях, когда жидкость с низким коэффициентом теплопередачи проходит через межтрубное пространство

Трубные листы для теплообменников изготавливаются из круглых плоских металлических заготовок с отверстиями для размещения трубок в определенных местах и согласно заданному шаблону. Материал трубных решеток обычно соответствует материалу трубок. Трубки надежно закрепляются на решетке, что предотвращает смешение жидкостей в кожухе и в трубке. Установка трубок происходит через отверстия в решетке и закрепляется на месте сваркой, механическим или гидравлическим расширением.

Перегородки

Перегородки выполняют несколько функций: они поддерживают трубки во время сборки и эксплуатации, предотвращают вибрацию от турбулентного потока и обеспечивают необходимый зазор между трубками, а также направляют поток жидкости по заданной схеме через кожух.

Существует три основных типа кожухотрубчатых теплообменников: теплообменники с фиксированной трубной решеткой, U-образные теплообменники и теплообменники с подвижной головкой, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения в зависимости от условий эксплуатации.

В мире теплообменных процессов различают основные и вспомогательные потоки технологической жидкости, которые нуждаются в нагреве или охлаждении. Основной поток может быть однофазным (газом или жидкостью) или двухфазным (смесью газа и жидкости). С другой стороны, вспомогательный поток, который предназначен для теплообмена с основным, также может быть однофазным или двухфазным.

Существует несколько типов теплообменников

• Теплообменник: оба потока состоят из однофазных технологических жидкостей
• Охладитель: один поток - основной, а другой - более холодный, например, воздух или охлаждающая вода
• Нагреватель: один поток - основной, а другой - горячий вспомогательный поток, такой как пар или горячее масло
• Конденсатор: на одной стороне присутствует двухфазный поток с газом на точке росы, который конденсируется на другой стороне с помощью холодного теплоносителя, такого как воздух или холодная вода
• Чиллер: основной поток конденсируется при температурах ниже атмосферных, а другой - кипящий хладагент или основной поток
• Ребойлер: один поток представляет собой испаряющийся поток из дистилляционной колонны, а другой - горячий вспомогательный поток или основной поток

Выбрать тип теплообменника

Выбор оптимального типа теплообменника зависит от множества факторов, включая:

• свойства технологических жидкостей
• скорость потока
• условия эксплуатации и обслуживания
• расчет перепада температур и необходимой площади теплообмена

Международные стандарты теплообменников

Кожухотрубные теплообменники также классифицируются и изготавливаются согласно широко принятым стандартам, таким как TEMA и ASME. Эти стандарты предоставляют систему обозначения основных типов теплообменников и гарантируют их соответствие требованиям качества. Например, стандарт TEMA использует трехбуквенную комбинацию для обозначения типа передней и задней головок, а также типа кожуха.

Хотя использование стандарта TEMA может быть затруднено некоторыми различиями в размерах в российском производстве из-за различий в метрических системах, большинство отечественных теплообменников, изготавливаемых согласно стандартам ВНИИНефтемаш, соответствуют этим стандартам качества. ВНИИНефтемаш, как главный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт в области химического и нефтяного машиностроения, обеспечивает соответствие отечественного оборудования международным стандартам.