Компактные кожухотрубные теплообменники. Кожухотрубный теплообменник: принцип действия, конструкция

Технологические и производственные возможности ЗАО«Опытное машиностроительное производство» , а также накопленный опыт изготовления теплообменного оборудования, позволяют нам производить качественные теплообменные аппараты с широким спектром применения в различных отраслях промышленности.

Возможности производства по изготовлению теплообменных аппаратов:

• изготовление теплообменников как по чертежам заказчика, так и по различным стандартам, ГОСТам и ТУ, в том числе производство кожухотрубных, кожухотрубчатых теплообменников
• изготовление теплообменников, как из материала Исполнителя, так и из материала заказчика, с проведением входного контроля материалов
• проведение предусмотренных технической документацией гидравлических испытаний до 10 МПа (100 кг/см2)
• неразрушающий контроль сварных соединений (капиллярный, ультразвуковой (УЗК), рентгенографический) проводимый квалифицированными специалистами собственной аттестованной лаборатории
• наличие грузоподъемного оборудования в сочетании с железнодорожными путями прямо в цехе, позволяющими производить и отгружать теплообменные аппараты и конденсационные установки весом свыше 100 тонн
• нанесение (по желанию заказчика) защитных антикоррозионных покрытий для защиты от химически агрессивных сред и т.п.
• выполнение эффективной теплоизоляции теплообменных аппаратов и конденсационных установок (по желанию заказчика)
• наличие квалифицированного персонала

Наши преимущества:

• Изделие отвечает техническим требованиям заказчика
• Использование всего накопленного опыта компании
• Гибкое взаимодействие с заказчиком
• Отсутствие трудностей согласования
• Гарантия качества изготовления
• Непрерывное совершенствование технологии изготовления и производственных возможностей

Теплообменный аппарат (или теплообменник) - это устройство, в котором осуществляется передача тепла от одной рабочей среды к другой.

В качестве теплоносителей могут быть жидкости, газы, пары. В теплообменниках в зависимости от назначения протекают процессы нагревания или охлаждения, кипения, конденсации и многие другие технологические используемые в металлургической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей, газовой, химической и других отраслях промышленности (в т. ч. в энергетике) и коммунальном хозяйстве.

По способу передачи тепла теплообменники подразделяются на смесительные и поверхностные .

Теплообменные аппараты со смешиванием теплоносителей, в таких смесительных теплообменниках теплоносители контактируют непосредственно и смешиваются, при этом теплообмен сопровождается массообменном.

В поверхностных теплообменниках передача тепла происходит через разделительную твердую стенку и между теплоносителями отсутствует непосредственный контакт.

Различают также рекуперативные и регенеративные теплообменные аппараты.

Рекуперативные теплообменники - это теплообменники, в которых холодный и горячий теплоносители движутся в разных каналах, а теплообмен происходит через стенку между ними.

В регенеративных теплообменных аппаратах теплоносители контактируют с твердой стенкой поочередно.

Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдается при контакте с холодным/

Смесительные теплообменники

Смесительные (контактные) теплообменники - это теплообменники со смешением сред, предназначенные для осуществления теплообменных и массообменных процессов путем прямого смешения.

В этом заключается их главное отличие от поверхностных теплообменников. Пароводяные струйные аппараты (ПСА) , использующие в своей основе струйный инжектор, являются наиболее распространенными смесительными теплообменниками струйного типа. Конструкция смесительных теплообменных аппаратов проще поверхностных, тепло используется более полно вследствие прямого контакта теплоносителей.

Однако следует заметить, что смесительные теплообменники со смешением сред пригодны, только если технологический процесс допускает такое смешение. В настоящее время тепловые схемы крупных энергоблоков мощностью от 300 до 1200 МВТ для ТЭЦ и АЭС содержат подогреватели конденсата смешивающего типа. Применение таких аппаратов повышает общий КПД турбоустановки. Однако, дополнительное число насосов для перекачки конденсата, требования к защите от заброса воды, сложности размещения подогревателей ограничивают широкое распространение смешивающих подогревателей. Широкое применение данный тип теплообменников находит также в установках утилизации тепла дымовых газов, отработанного пара и т.п.

В промышленности наиболее распространены поверхностные рекуперативные теплообменники:

• кожухотрубные теплообменники
• пластинчато-ребристые теплообменники
• пластинчатые теплообменники
• ребристые теплообменники
• объемные и погружные теплообменники
• витые теплообменники
• змеевиковые
• спиральные теплообменники
• двухтрубные (типа «труба в трубе») теплообменники

Кожухотрубные теплообменники являются наиболее распространенными аппаратами. Они используются в различных технологических процессах, сопровождающихся теплообменом между жидкостями, парами и газами, в том числе при изменении агрегатного состояния. Теплообменные аппараты кожухотрубчатые состоят из трубных пучков, закрепленных в трубных досках с промежуточными перегородками, корпусов (кожухов), крышек, камер, патрубков и опор. Поверхность теплопередачи таких теплообменных кожухотрубчатых аппаратов может достигать нескольких десятков тысяч квадратных метров и состоять из десятков тысяч труб. В конструктивной схеме кожухотрубных теплообменников обеспечивается разобщение внутритрубного и межтрубного пространства, причем каждое из них может быть разделено на несколько ходов рабочей среды (теплоносителя).

По своей конструктивной схеме кожухотрубные подогреватели могут быть:

• кожухотрубчатые теплообменники с жестким прикреплением концов труб в основных (концевых) трубных досках;
• кожухотрубчатые теплообменники с промежуточными поперечными перегородками по длине труб (между основными трубными досками);
• кожухотрубчатые теплообменники с линзовым компенсатором на корпусе;
• кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубками;
• кожухотрубчатые теплообменники с плавающей камерой;
• кожухотрубчатые теплообменники с сильфонным компенсатором на подводящем патрубке;
• кожухотрубчатые теплообменники с поперечным расположением пучков трубок относительно корпуса.

Достоинства кожухотрубных теплообменников:

• простота конструкции, технологии изготовления монтажа и ремонта
• бóльшая тепловая мощность аппаратов по сравнению с пластинчатыми
• лучше приспособлены для очистки, что заметно облегчает обслуживание и повышает срок их службы (процесс очистки особенно эффективен с применением систем шариковой очистки (сшо))
• ремонтопригодность и его экономическая целесообразность замены отдельных частей аппаратов
• как следствие всего перечисленного, меньшая стоимость эксплуатации кожухотрубных теплообменников

В настоящее время стали появляться современные кожухотрубные теплообменники, оснащенные трубками, профилированными таким образом, что рост гидравлического сопротивления ненамного превышает рост теплоотдачи вследствие применения завихрителей потока. Это достигается накаткой на внешней поверхности трубы кольцевых или винтообразных канавок, вследствие образования которых на внутренней поверхности трубы образуются плавно очерченные выступы небольшой высоты, повышающие теплоотдачу в трубках. Эта технология, в дополнение к таким важным показателям как высокая надежность и меньшая стоимость, дает отечественному кожухотрубному оборудованию дополнительные преимущества по сравнению с иностранными пластинчатыми аналогами .

Ребристые теплообменники применяются с целью увеличения теплопередачи через металлические стенки ребер в случаях, когда коэффициенты теплоотдачи по обеим сторонам стенки сильно различаются: например, при передаче тепла от конденсирующегося пара к стенке и от стенки к нагреваемому воздуху. Оребрение поверхности теплообмена вводится со стороны стенки с более низким коэффициентом теплоотдачи. В промышленности используются теплообменные аппараты с различными видами оребрения: шайбовое, пластинчатое, спиральное, проволочное, плавниковое, поперечное и продольное разрезное и т.д. Для оребрения теплообменных аппаратов выбирают тонкостенный, теплопроводный материал, прикрепляемый к стенке сваркой, пайкой, накаткой и т.п.

Пластинчатые теплообменники используются для осуществления теплообмена между газами и другими теплоносителями обычно с низкими значениями коэффициентов теплоотдачи. Конструктивно эти аппараты набирают из штампованных пластин, образующих между собой с одной стороны пластины каналы для одного теплоносителя, а с другой - для другого.

Пластины разделяются прокладками между ними, могут свариваться попарно и составлять необходимую поверхность теплообмена.

Достоинствами пластинчатых теплообменников является их компактность, значительная, удельная к объему поверхность нагрева. Хорошая тепловая эффективность для ряда сочетаний параметров теплоносителей.

К недостаткам пластинчатой конструкции можно отнести невозможность использования при высоких давлениях сред, небольшую тепловую мощность, ограниченный срок службы, трудности эксплуатации, очистки, герметичность и ремонт. Повышенные требования к качеству теплоносителей.

Пластинчато-ребристые теплообменники состоят из системы разделительных пластин, между которыми находятся ребристые поверхности - насадки, присоединенные к пластинам. Пластинчато-ребристые теплообменники,как правило, неразборные и различаются по типу ребер (гладкие, волнистые, прерывистые и др.), а также по направлению рабочих сред (прямоточные, противоточные, перекрестные).

В объемных теплообменниках (кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубками) одна из сред сосредоточена в незамкнутом объеме или в сосуде большого объема, а вторая протекает через трубный пучок прямых, U-образных или спиральных труб. Используются объемные теплообменники с погруженным трубчатым змеевиком или пучком прямых труб.

Витые теплообменники распространены в холодильной и химической промышленности. В таких аппаратах удается разместить большую поверхность теплообмена, чем в прямотрубных аппаратах. Витой теплообменник состоит из центральной трубы (сердечника) на которую навивают по спирали пучки труб. Шаг навивки и расстояние между трубами выбирается из условия равной длины труб. В разных рядах труб разное направление навивки (левое и правое). Дистанционные прокладки устанавливают зазор между трубами. Витые трубные пучки обеспечивают температурную компенсацию и плотность в местах их заделки. Как правило, витые трубные системы выполняются многозаходными.

Змеевиковые теплообменники являются кожухотрубными аппаратами, содержащими змеевиковые трубы, витки которых располагаются по винтовой линии. Змеевиков присоединяемых к коллектору подвода теплоносителя может быть несколько. В пароводяных теплообменниках греющая среда-пар обычно подводится сверху, а охлажденная среда-вода во внутритрубное пространство снизу. Также аппараты широко применяются в системах подогрева конденсата и питательной воды паротурбинных установок, к примеру кожухотрубный теплообменник конденсатор, однако в настоящее время все больше вытесняются «камерными» теплообменниками, содержащими камеры для подвода теплоносителя. Одновременно появляются проектно-конструкторские разработки современных коллекторно-спиральных пароводяных теплообменников для использования в системе подогрева питательной воды турбоустановок ТЭС и АЭС. По мнению разработчиков, применение таких аппаратов может дать весьма значительное снижение металлоемкости всего теплообменного оборудования паротурбинных установок.

Спиральные теплообменники являются одними из простых по конструкции аппаратов и состоят из двух стальных лент, навитых по спирали вокруг центральной разделительной перегородки и образующих два параллельных спиральных канала для рабочих сред. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничены с торцов крышками, в которых имеются патрубки для подвода или отвода среды. Также аппараты обычно применяют при небольших расходах, а также разностях давлений и температур рабочих сред. В последние годы также аппараты вытесняются пластинчатыми теплообменниками.

Двухтрубные теплообменники типа «труба в трубе» давно применяются в промышленности. Также аппараты удобны для нагрева и охлаждения рабочих сред, находящихся под высоким давлением. В этих теплообменниках достигаются хорошие коэффициенты теплопередачи. В изготовлении, при монтаже и эксплуатации они довольно просты, причем при отсутствии необходимости чистки они изготавливаются сварными. Однако, несмотря на простоту конструкции, такие теплообменники довольно громоздки, их удельная металлоемкость по сравнению с другими аппаратами высока. По этой причине область применения таких теплообменников непрерывно сокращается.

Наш производственный опыт показывает, что важным фактором, влияющим на качество изготовления такого сложного оборудования, как теплообменные аппараты, работающие под давлением, является не только наличие технической документации, но и технически грамотно разработанная технология изготовления . Хотим обратить внимание на то, что в отличие от технической документации и производственного оборудования, технология изготовления - это не тиражируемая категория; она привязана к конкретному производству, что дает последнему серьезные преимущества перед конкурентами, не имеющими собственной, проверенной временем технологии. Очевидно, что уже освоенная и хорошо себя зарекомендовавшая производственная технология позволяет в кратчайшие сроки начинать изготовление серийных и малосерийных изделий, а так же быстро осваивать производство опытных единичных образцов продукции.

Главные конденсаторы турбин

Служат для создания вакуума в выхлопном патрубке турбины, сохранения, первичной деаэрации и возврата в цикл конденсата пара, поступающего из турбины. Одновременно конденсатор является частью системы котельной установки станции. Вакуум в конденсаторе создается при помощи конденсации отработавшего в турбине пара, в результате резкого уменьшения удельного объема при превращении пара в конденсат и отсоса неконденсирующихся газов из конденсатора.
В современных мощных паротурбинных установках применяются почти исключительно конденсаторы поверхностного типа , в которых охлаждающая вода прокачивается внутри труб трубных пучков, расположенных в паровом пространстве конденсаторов. Пар, поступающий из турбины, соприкасается с холодной поверхностью труб и конденсируется на них, отдавая теплоту парообразования протекающей внутри труб охлаждающей воде. Конденсат стекает в нижнюю часть конденсатора и откачивается из конденсатосборника конденсатными насосами. Воздух и неконденсирующиеся газы, проникающие через неплотности установки, удаляются из конденсатора эжекторами . Конденсат пара используется для питания котлов и представляет большую ценность, т.к. подвергается высокой степени очистки. Конденсатор не должен допускать переохлаждения конденсата и должен иметь минимальное сопротивление по охлаждающей воде. Теоретически возможный вакуум в конденсаторе зависит только от температуры и располагаемого количества охлаждающей воды. Практический вакуум в эксплуатации зависит от совершенства конструкции конденсатора, вакуумной плотности части турбоустановки, находящейся под вакуумом и чистоты трубок конденсатора.

Конструкция конденсаторов , для турбин различной мощности от 25 до 1200 МВт, определяется расположением в установке и конструкцией фундамента, например, если поверхность теплопередачи конденсатора достигает 8800 м2 и содержит до 84000 трубок, то масса такого конденсатора достигает 2000 т.
Все конденсаторы представляют собой сложную пространственную конструкцию, находящуюся под глубоким вакуумом. Корпуса конденсаторов выполняются из листовой углеродистой стали и имеют внутреннее оребрение, а также усилены продольными и поперечными связями из круглой стали. Охлаждающие трубки концами закрепляются в основных трубных досках и имеют опоры в промежуточных трубных перегородках. Расстановка перегородок в корпусе выполняется по расчету на вибрацию, чтобы исключить опасные формы колебаний трубок. Водяные камеры, как правило, привариваются и имеют открывающие крышки для замены трубок. Для доступа внутрь водяных камер для мелких работ крышки имеют люки. В верхней части конденсатор могут быть встроены один или два регенеративных подогревателя низкого давления . Конденсаторы имеют, как правило, целый ряд приспособлений для приема пара и воды из различного оборудования турбоустановки, необходимых для осуществления цикла.

ЗАО «Опытное машиностроительное производство» предлагает своим клиентам не просто изготовление технологического оборудования, не только услуги собственной производственной базы, но и многолетний опыт, проверенные производственные технологии и готовность квалифицированного персонала решать именно Ваши задачи.

Содержание раздела

Кожухотрубчатый теплообменный аппарат (рис. 4.9) состоит из кожуха и пучка труб, закрепленных в трубных решетках (досках) для создания проточных каналов. В межтрубное пространство подают, как правило, менее, а в трубы - более загрязненный теплоноситель. Крышки распределительных камер и кожух, замыкающие межтрубное пространство, снабжены штуцерами для подвода и отвода теплоносителей.

Рис.4.9. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты непрерывного действия:

а – одноходовой с жестко закрепленными решетками; б – с концентрическими; в – с сегментными перегородками в межтрубном пространстве; г – с температурными компенсаторами на корпусе; д – с плавающей нижней головкой; е – с U-образными трубами; ж – с сальниковым уплотнением на верхней плавающей головке; 1 – корпус или кожух; 2 – трубные решетки; 3 – трубы; 4 – днища и крышки распределительных камер; 5, 6 – фланцы; 7 – опоры

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты применяют для нагрева и охлаждения жидкостей и газов, а также для испарения и конденсации веществ в различных технологических процессах. В частности, их используют как регенеративные подогреватели питательной воды, в системах водоподготовки, в качестве маслоохладителей.

При заданном расходе теплоносителя G , кг/с, и выбранной скорости его движения w, м/с, в трубах их количество в одном ходе теплообменника

n = 4G /(w r p d 2).

Площадь поверхности теплообмена

F = p d ср l n z,

где l - рабочая длина труб; d cp - их расчетный диаметр, равный

d cp = 0,5 (d н + d в);

z - число ходов трубного пространства. Длину теплообменных труб рекомендуется принимать 1000, 1500, 2000, 3000, 4000, 6000 и 9000 мм. В кожухотрубчатых теплообменниках с площадью поверхности до 300 м 2 - не более 4000 мм .

Размещение труб в трубных решетках производится по вершинам равносторонних треугольников, по концентрическим окружностям или по вершинам квадратов. Наиболее распространенным способом является первый вариант (рис. 4.10). Количество труб в аппарате в зависимости от их диаметра, диаметра корпуса и числа ходов в трубном пространстве указано в табл. 4.9 [ 7, 8].

Рис.4.10. Размещение труб в трубной решетке:

а – по концентрическим окружностям; б – по вершинам равносторонних треугольников; в – шахматное; г – коридорное

Таблица 4.9. Количество труб в кожухотрубчатых теплообменниках при размещении их по вершинам равносторонних треугольников [ 7, 8 ]

Диаметр аппарата,	Диаметр труб (наружный), мм
	20		25		38
	одноходовых	двухходовых	одноходовых	двухходовых	одноходовых
159	19		13
273	61	-	42	-	-
325	91	80	61	52	-
400	181	166	111	100	-
600	393 (423)	374 (404)	261 (279)	244 (262)	111 (121)
800	729 (771)	702 (744)	473 (507)	450 (484)	197 (211)
1000	1177 (1247)	1142 (1212)	783 (813)	754 (784)	331 (361)
1200	1705 (1799)	1662 (1756)	1125 (1175)	1090 (1140)	473 (511)
1400	2369 (2501)	2318 (2450)	1549 (1629)	1508 (1588)	655 (711)

П р и м е ч а н и е. В скобках указано количество труб для теплообменников при размещении без отбойников, когда трубы добавлены с двух сторон большого шестиугольника.

Диаметры и шаги отверстий в трубных решетках и перегородках теплообменников, при расположении труб по вершинам равностороннего треугольника, определяют по наружному диаметру труб (табл. 4.10).

Таблица 4.10. Диаметры отверстий в трубных решетках и перегородках кожухотрубчатых теплообменников [ 8 ]

Наружный диаметр	Диаметры отверстий d, mm		Шаг между отверстиями, мм
	в решетке	в перегородке
16	16,3	17,0	22
20	20,4	20,8	26
25	25,4	26,0	32
38	38,7	39,0	48
75	57,8	60,0	70

При развальцовке труб шаг s = (l,3 ¸ 1,6) d н, при сварке s = l,25 d н. Минимальная толщина: для стальной решетки d р мин = 5 + 0,125 d н, медной d р мин = =10 + 0,2 d н Толщина решетки проверяется расчетом на прочность с учетом ослабления ее отверстиями и способа размещения труб.

Внутренний диаметр кожуха одноходового теплообменника D в = s (b – 1) + 4d н или D в = l,l s \(\sqrt{n}\) ; многоходового - D в = l,l s \(\sqrt{n/\psi }\) , где b – число труб на диагонали большого шестиугольника; \(\psi\) – коэффициент заполнения трубной решетки, равный 0,6 - 0,8.

Расчетное значение внутреннего диаметра кожуха округляют до ближайшего из следующего ряда: 400, 500, 600, 700, 800, 900, 1000, 1200, 1400, 1600, 1800, 2000, 2200, 2400, 2600, 2800, 3000, 3200, 3400, 3600, 3800 и 4000 мм. Цилиндрические кожухи аппаратов можно изготавливать из стальных труб с наружным диаметром 159, 219, 273, 325, 377, 426, 480, 530, 720, 820, 920 и 1020 мм.

Для теплообменников без перегородок площадь живого сечения межтрубного пространства \({f}_{\text{мт}}=\frac{\pi }{4}\left({D}_{в}^{2}-{\text{nd}}_{н}^{2}z\right)\text{.}\)

Если f мт > f , где f - расчетное значение живого сечения межтрубного пространства, то межтрубное пространство разделяют перегородками на число ходов i = f мт / f . Число ходов в межтрубном пространстве рекомендуется принимать из ряда 1, 2, 3, 4, 6. Для теплообменника, у которого межтрубное пространство разделено на i ходов поперечными сегментными перегородками, приведенное сечение, по площади которого рассчитывается (уточняется) скорость теплоносителя в межтрубном пространстве,

\({f}_{\text{пр}}={f}_{\text{мт}}{l}_{с}\phi /{L}_{\text{экв}},\)

где l c – расстояние между сегментными перегородками; j – коэффициент, учитывающий сужение живого сечения межтрубного пространства\[\phi =\frac{1-{d}_{н}/s}{1-\mathrm{0,9}({d}_{н}/s{)}^{2}};\]

L экв = l c + D в – 4 b /3 – эквивалентная длина пути теплоносителя; b – расстояние от края сегментной перегородки до корпуса аппарата, b = (0,2 ¸ 0,4) D в.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты общего назначения изготовляют из углеродистой или нержавеющей стали с площадью поверхности теплообмена от 1 до 2000 м 2 на условное давление до 6,4 МПа. Конструктивно они подразделяются на типы, показанные на рис. 4.9. Основные параметры и размеры кожухотрубчатых теплообменных аппаратов приведены в табл. 4.11 – 4.16.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты типа ТН (c неподвижными решетками) и ТК (с линзовыми компенсаторами на кожухе) изготовляют горизонтальными и вертикальными из углеродистой стали (рис. 4.11). Теплообменники типа ТН применяют для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред с температурой от – 30°С до + 350°С на условное давление от 0,6 до 6,4 МПа.

Рис.4.11. Блок из двух кожухотрубчатых теплообменников

При разности температур между теплоносителями свыше 50°С рекомендуется применять теплообменники коллекторного типа, рассчитанные на рабочее давление не более 2,5 МПа .

Теплообменники типа ТН, ТК и ТП, изготовленные из углеродистой стали и предназначенные для взрывоопасной или токсичной среды, в зависимости от температуры должны допускаться в работу при пониженном давлении согласно [ 8 ]. При температурах теплоносителя более 400 о С необходимо применять теплообменники, изготовленные из легированной стали.

Основные параметры теплообменников сварной конструкции приведены в табл. 4.13 и 4.14.

Трубы для теплообменников выбирают из условий работы и агрессивности среды. Для стандартных теплообменников применяют трубы из углеродистой стали 10 или 20, коррозионностойкой стали ОХ18Н10Т и латуни ЛОМш 70-1-0,06. Размещение труб в решетках выполняют по вершинам равносторонних треугольников.

Таблица 4.11. Технические характеристики водо-водяных подогревателей, ГОСТ 27590-88 и ОСТ 34-588-68

Обозначение	Наружный и внутренний диа­метры корпуса D н /D вн, мм	Длина подогре­вателя с калачами	Число тру­бок	Площадь поверхности нагрева F, м 2	Площадь живого сечения, м 2
					трубок	межтрубного пространства f мт
01 ОСТ 34-558-68 02 ОСТ 34-558-68	57/50	2220	4	0,37	0,00062	0,00116
03 ОСТ 34-558-68 04 ОСТ 34-558-68	76/69	2300	7	0,65	0,00108	0,00233
05 ОСТ 34-558-68 06 ОСТ 34-558-68	89/82	2340	12	1,11	0,00185	0,00287
07 ОСТ 34-558-68 08 ОСТ 34-558-68	114/106	2424	19	1,76	0,00293	0,005
09 ОСТ 34-558-68 10 ОСТ 34-558-68	168/158	2620	37	3,4	0,0067	0,0122
11 ОСТ 34-558-68 12 ОСТ 34-558-68	219/207	2832	64	5,89	0,00985	0,02079
13 ОСТ 34-558-68 14 ОСТ 34-558-68	273/259	3032	109	10	0,01679	0,03077
15 ОСТ 34-558-68 16 ОСТ 34-558-68	325/309	3232	151	13,8	0,02325	0,01464
17 ОСТ 34-558-68 18 ОСТ 34-558-68	377/359	3430	216	19,8	0,03325	0,05781
19 ОСТ 34-558-68 20 ОСТ 34-558-68	426/408	3624	283	25,8	0,04356	0,07191
21 ОСТ 34-558-68 22 ОСТ 34-558-68	530/512	3552	450	41	0,06927	0,11544
26 ОСТ 34-588-68 27 ОСТ 34-583-68	57/50	2220	4	0,36	0,00062	0,00116
28 ОСТ 34-588-68 29 ОСТ 34-588-68	76/69	2300	7	0,64	0,00108	0,00233
30 ОСТ 34-588-68 31 ОСТ 34-588-68	89/82	2340	12	1,1	0,00185	0,00287
32 ОСТ 34-588-68 33 ОСТ 34-588-68	114/106	2424	19	1,74	0,00293	0,005
34 ОСТ 34-588-68 35 ОСТ 34-588-68	168/158	2620	37	3,39	0,0057	0,0122
36 ОСТ 34-588-68 37 ОСТ 34-588-68	219/207	2832	64	5,85	0,00985	0,02079
38 ОСТ 34-588-68 39 ОСТ 34-588-68	273/259	3032	109	9,9	0,01679	0,03077
40 ОСТ 34-588-68 41 ОСТ 34-588-68	325/309	3232	151	13,7	0,02325	0,04454
42 ОСТ 34-588-68 43 ОСТ 34-588-68	377/359	3430	216	19,6	0,03325	0,05781
44 ОСТ 34-588-68 45 ОСТ 34-588-68	426/408	3624	283	25,5	0,04356	0,071191
46 ОСТ 34-588-68 47 ОСТ 34-588-68	530/512	3552	450	40,6	0,06927	0,11544

Таблица 4.12. Технические характеристики горизонтальных пароводяных

подогревателей, ГОСТ 28679-90, ОСТ 34-351-68, ОСТ 34-352-68,

ОСТ 34-376-68 и ОСТ 34-577-68

Обозначение	Наруж-ный и внут-ренний диа­метры корпуса D н /D вн, мм	Дли-на тру-бок	Чис-ло хо-дов	Чис-ло тру­бок	Приве-денное число трубок в вертика-льном ряду m	Площадь поверхности нагрева F ,	Площадь живого сечения, м 2
							межтруб-ного простран-ства	одного хода трубок
01 ОСТ 34-531-68 02 ОСТ 34-531-68 03 ОСТ 34-531-68 04 ОСТ 34-531-68 05 ОСТ 34-531-68 06 ОСТ 34-531-68 07 ОСТ 34-531-68 08 ОСТ 34-531-68 09 ОСТ 34-531-68	325/309	3000	2	68	8,5	9,5	0,061	0,0052
11 ОСТ 34-531-68 12 ОСТ 34-531-68 13 ОСТ 34-531-68 14 ОСТ 34-531-68 15 ОСТ 34-531-68 16 ОСТ 34-531-68 17 ОСТ 34-531-68	325/309	2000	2	68	8,5	6,3	0,061	0,0052
01 ОСТ 34-532-68 02 ОСТ 34-532-68 03 ОСТ 34-532-68 04 ОСТ 34-532-68 05 ОСТ 34-532-68 06 ОСТ 34-532-68 07 ОСТ 34-532-68 08 ОСТ 34-532-68 09 ОСТ 34-532-68	325/309	3000	4	68	8,5	9,5	0,061	0,0026
01 ОСТ 34-576-68 02 ОСТ 34-576-68 03 ОСТ 34-576-68 04 ОСТ 34-576-68 05 ОСТ 34-576-68 06 ОСТ 34-576-68 07 ОСТ 34-576-68 08 ОСТ 34-576-68 09 ОСТ 34-576-68	325/309	3000	2	68	8,5	9,5	0,061	0,0052
11 ОСТ 34-576-68 12 ОСТ 34-576-68 13 ОСТ 34-576-68 14 ОСТ 34-576-68 15 ОСТ 34-576-68 16 ОСТ 34-576-68 17 ОСТ 34-576-68	325/309	2000	2	68	8,5	6,3	0,061	0,0052
01 ОСТ 34-577-68 02 ОСТ 34-577-68 03 ОСТ 34-577-68 04 ОСТ 34-577-68 05 ОСТ 34-577-68 06 ОСТ 34-577-68 07 ОСТ 34-577-68 08 ОСТ 34-577-68 09 ОСТ 34-577-68	325/309	3000	4	68	8,5	9,5	0,061	0,0026

Трубные решетки теплообменников с диаметром кожуха от 600 до 1200 мм, предназначенные для агрессивных сред, изготовляют из двух слоев стали: ВМСтЗсп вместе с Х18Н10Т или из 16ГС вместе с Х18Н10Т.

Теплообменники типа ТН и ТК могут быть собраны в блоки, состоящие из нескольких горизонтальных аппаратов. Количество аппаратов в блоке и габаритные размеры принимают по суммарной площади поверхности теплообмена [ 8 ].

Теплообменники с плавающей головкой (рис. 4.3 и 4.12) применяют для нагрева или охлаждения жидких и газообразных сред в пределах рабочих температур от – 30 до +450 °С и условного давления от 1,6 до 6,4 МПа в трубном или межтрубном пространстве. Основные параметры вертикальных и горизонтальных теплообменников приведены в табл. 4.12, 4.13 и 4.15. Кожух, распределительная камера и крышки изготовляются из стали ВМСтЗсп или из стали 16ГС. В зависимости от назначения аппарата применяются трубы из стали 20 или сплава АМг2М. Для конденсаторов применяют трубы из латуни ЛОМш 70-1-0,06 или ЛАМш 77-2-0,06. Для нагрева или охлаждения агрессивных сред применяют трубы из стали Х5М или из коррозионностойкой стали ОХ18Н10Т. В этом случае трубные решетки изготовляют из стали 16ГС или двух слоев сталей 16ГС и Х18Х10Т.

Рис.4.12. Кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой:

1 – крышка распределительной камеры; 2 – распределительная камера; 3 – кожух; 4 – трубы; 5 – крышка кожуха; 6 – крышка плавающей головки; 7 – опора

Рис.4.13. Кожухотрубчатый теплообменник с U-образными трубами:

1 – крышка распределительной камеры; 2 – кожух; 3 – U-образные трубы; 4 – опора

Теплообменники с U-образными трубами (рис. 4.13) применяют в условиях теплообмена при рабочих тем­пературах среды от –30 до +450 °С. Стандартные теплообменники изготовляют с диаметром кожуха от 325 до 1400 мм и характерными параметрами, указанными в табл. 4.16. Применение теплообменников с U-образными трубами регламентировано условным давлением, которое для нейтральных и невзрывоопасных сред находится в пределах от 1,6 до 6,4 МПа. В теплообменниках с температурой среды от 100 до 450 °С рабочее давление снижается в пределах, указанных в [ 8 ]. Кожух и распределительная камера обычно изготовляются из стали ВМСтЗпс или 16ГС. Теплообменные трубы - из стали 20, а в конденсаторах – из сплава АМг2М.

Расчеты на прочность конструктивных элементов теплообменников из углеродистой или легированной стали выполняют в соответствии с требованиями [ 9 ].

Теплообменные аппараты «труба в трубе» (рис. 4.14) применяют для нагрева и охлаждения жидкостей при давлении до 2,5 МПа и температуре до +450°С. По конструкции различают аппараты жесткой сварной конструкции (тип ТТ), с сальниками на одном или обоих концах труб (тип ТТ-С), с оребренными трубами (тип ТТ-Р). Основные параметры и размеры теплообменников приведены в табл. 4.17. Их изготовляют из цельнокатаных труб. Материал труб – углеродистая или нержавеющая стали.

Рис.4.14. Теплообменник типа «труба в трубе»:

1 – внутренняя труба; 2 – наружная труба; 3 - калач

Последовательное и параллельное соединение отдельных аппаратов «труба в трубе» позволяет создавать теплообменники с площадью поверхности от 1 до 250 м 2 . Простота конструкции аппаратов этого типа позволяет изготавливать их в ремонтных мастерских предприятий.

Таблица 4.13. Теплообменники кожухотрубчатые сварной конструкции с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатые с температурным компенсатором на кожухе [ 8 ]

Диа-метр ха D в, мм	Дав-ле-	Размеры	Количество	Площадь поверхности теплообмена аппаратов,м 2 , при длине труб, мм					Площадь сечения одного хода по трубам, м 2 ·10 2	Площадь проходного сечения, м 2 .I0 2
				2000	3000	4000	6000	9000		В выре-	Между перегород
		20х2	1	22	34	45	68		3,6	2,1	2,5
		20 х 2	2	21	31	41	62	-	1,7
400		25 х 2	1	17	26	35	52	-	3,8	2,2	2,1
		25 х 2	2	15	23	31	47	-	1,7
			1	49	73	98	147		7,9	4,7	5,4
	1,0	20 х 2	2	46 42	70	93	140	-	3,8
600	1,6		6	43	64	86	129	-	1,0
			1	40	61	81	122		9,0	4,9	5,2
	2,5	25 х 2	2	38	57	76	114	-	4,2
	4,0		4	32	49	65	98	-	1,8
			6	34	51	68	102	-	0,9
			1	91	138	184	276	416	14,8	7,8	7,7
	1,0 1,6	20 х 2	2	88	132	177	266	400	7,1
800	1,6		4	82	124	165	248	373	3,3
	2,5		1	74	112	150	226	339	16,7	7,7	7,9
		25 х 2	2	70	106 96	142 128	212 193	320 290	7,8 3,1
	4,0		6	62	93	125	187	282	2,2
	6,0		1		220	295	444	667	23,8	12,5	13,5
	1,0	20 х 2	2 4	-	214 202	286 270	430 406	648 610	11,6 5,1
	1,6		6	-	203	272	409	614	3,4
1000	2,5		1	-	183	244	366	551	27,0	12,1	11,7
		25 х 2	2	-	175	234	353	530	13,2
	4,0		4	-	163	218	329	494	6,0
			6		160	214	322	486	3,8
			1			426	642	964	34,5	17,3	16,5
	0,6	20 х 2	2	-		415	626	942	16,9
	1,0		4	-	-	396	596	897	7,9
1200			6	-	-	397	597	900	5,4
			1			348	525	790	39,0	16,8	15,2
	1,6 2,5	25 х 2	2	-	-	338	509	766	18,9
			6	-	-	316	476	716	5,7

Таблица 4.14. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты [ 8 ]

Основные параметры и размеры	Нормы по типам
	ТН	ТК		ТП ТУ	ТС
	1-2000			10-1250 10-1400	10-315
Условное давление в труб ном или межтрубном пространстве р у, МПа	0,6; 1,0; 1,6;		0,6; 1,0;	1,0; 1,6; 2,5; 4,0; 6,4	0,6; 1,0
Диаметр кожуха, мм: наружный (при изготовлении из труб) внутренний (при изготовлении из листовой	159; 273; 325; 426 400; (500); 600; 800; 1000; 1200; 1600; 1800; 2000; 2200			325; 426 400; 500; 600; 800; 1000; 1200; 1400	400; 500;
Наружный диаметр и тол щина стенки теплообмен- ных труб, мм	(16Х1,6); 20Х2; 25Х2; 25Х2,5; 38Х2; (38Х3);			20Х2; 25Х2; 25Х2,5
Длина теплообменных труб, мм	1000; 1500; 2000; 3000; 4000; 6000; 9000			3000; 6000; 9000
Схема и шаг размещения теплообменных труб в трубных решетках, мм	По вершинам равносторонних треугольников: 21 для труб диаметром 16			По вершинам квадратов или равносторонних треугольников: 26 для труб диаметром 20

Таблица 4.15. Кожухотрубчатые теплообменники с плавающей головкой [ 8 ]

Диаметр кожуха, мм		Диаметр труб, мм	Koличество ходов по трубам	Площадь поверхности теплообмена, м 2 , при длине труб, мм,					Площадь проходного одного хода по трубам, м 2 ×10 3 , при их расположении		Площадь проходных сечений, м 2 -10 3 , при расположении труб
по вершинам квадрата			по вершинам треугольника		по вершинам квадрата		по вершинам треугольника
3000	6000	9000	6000	9000	по вершинам квадрата	по вершам треугольника	в вырезе перегороки	между пере- городками	В вырезе перегородки	между перегородками
D н	325	20	2	11,7	23,4	-	-	-	6,0	-	1,2	2,3	-	-
426	20	2	23,4	47,0	-	-	-	13,0	-	2,1	4,2	-	-»
500	20	2	29,4	79,0	-	-	-	21,0	-	2,6	6,8	-	-
D в	600	20	2 4	-	119,0 111,0	179,0 166,0	135,0 122,0	202,0 183,0	32,0 14,0	36,0	5,3	9,6	4,7	5,8
25	2	-	99,0 90,0	149,0 135,0	109,0 97,0	164,0 146,0	36,0 16,0	40,0 17,0	4,9	9,6	4,6	5,5
800	20	2	-	214,0 200,0	322,0 300,0	249,0 231,0	374,0 346,0	55,0 27,0	64,0 31,0	9,2	15,6	7,7	8,6
25	2 4	-	171,0 160,0	258,0 240,0	196,0 178,0	294,0 267,0	60,0 30,0	69,0 30,0	8,4	15,6	7,5	8,8
1000	20	2	-	352,0 336,0	528,0 504,0	411,0 332,0	610,0 576,0	92,0 45,0	107,0 49,0	14,2	24,0	17,6	14,0
25	2	-	291,0 275,0	436,0 413,0	332,0 308,0	502,0 462,0	104,0 48,0	119,0 56,0	12,3	24,0	11,7	12,5
1200	20	2	-	525,0 505,0	788,0 756,0	611,0 584,0	916,0 875,0	140,0 68,0	162,0 78,0	20,5	36,0	17,0	20,0
25	2	-	425,0 405,0	636,0 607,0	490,0 460,0	735,0 693,0	155,0 74,0	179,0 85,0	19,2	29,0	17,0	18,5
1400	20	2	-	726,0 708,0	1090,0 1060,0	843,0 805,0	1260,0 1210,0	194,0 91,0	222,0 107,0	25,0	41,0	22,0	23,0
	25	2	-	590,0 567,0	885,0 852,0	686,0 650,0	1030,0 980,0	215,0 104,0	250,0 116,0	24,0	40,5	22,0	21,0

Таблица 4.16. Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными

трубами [ 8]

rowspan="3"| Диаметр		Диа-	Площадь поверхности теплообмена, м 2 , при длине труб, мм, и расположении их в решетках					rowspan="3" | Площадь про-ходного сече-ния одного хода по трубам, м 2 ·io 3 , при их расположении		Площадь проходных сечений, м 2 I0 3 , труб при их расположении
по вершинам квадрата			по вершинам треугольника		по вершинам квадрата		по вершинам треугольника
3000	6000	9000	6000	9000	по вер- шинам квад- рата	по вершинам тре- угольника	в вы- резе перего родки	меж- ду nepe-город- ками	в вы- резе пере-город- ки	меж- ду пере-го- род- ками
D н	325	20	14	28	-	-	-	7	-	1,0	2,5	-	-
426	20	28	55	-	-	-	14	-	1,8	4,6	-	-
D вн	500	20	44	86	-	-	-	22	-	2,6	6,0	-	-
600	20	-	126	188	150	224	33	39	5,1	10,0	4,4	6,0
800	20	-	225	335	263	390	58	68	9,3	17,0	9,0	9,0
1000	20	-	383	567	443	656	98	114	13,0	25,0	12,6	13,0
1200	20	-	575	850	660	973	148	168	19,0	36,0	17,0	21,0
1400	20	-	796 665	1170 964	923 753	1361 1108	202 227	232 262	24,0	47,0 45,0	22,0	28,0 22,0

Таблица 4.17. Теплообменные аппараты типа «труба в трубе» [ 8 ]

Основные параметры (рис. 4.19)	Аппараты
	разборные одно- и двухпоточ- ные мало- габаритные	неразборные однопоточ- ные мало- габаритные	разборные поточные	неразборные поточные	разборные много- поточные
Наружный диаметр тепло- обменных труб, мм	25, 38, 48, 57		76, 89, 108, 133, 159		38, 48, 57
Наружный диаметр кожуховых труб, мм	57, 76, 89, 108		108, 133, 159, 219		89, 108
Длина кожуховых труб, м	1,5; 3,0; 6,0; 4,5		4,5; 6,0;	6,0; 9,0;	3,0; 6,0;
Площадь поверхности теплообмена, м 2	0,5–5,0	0,1–1,0	5,0–18,0	1,5–6,0	5,0–93,0
Площадь проходных сече- ний, м 2 .I0 4: внутри теплообменных снаружи теплообменных	2,5–35,0	2,5–17,5	50–170	45–170	35–400
Условное давление, МПа: внутри теплообменных снаружи теплообменных	6,4; 10,0;
6,4; 10,0;	1,6; 4,0	1,6; 4,0	1,6; 4,0

Проще всего понять, как работает теплообменник кожухотрубного типа, можно, изучив его принципиальную схему:

Рисунок 1. Принцип работы кожухотрубного теплообменника. Однако, данная схема иллюстрирует лишь уже сказанное: два раздельных, не смешивающихся теплообменных потока, проходящих внутри кожуха и сквозь трубный пучок. Куда нагляднее будет, если схему сделать анимированной.

Рисунок 2. Анимация работы кожухотрубчатого теплообменника. Данная иллюстрация демонстрирует не только принцип работы и устройство теплообменного аппарата, но и то, как выглядит теплообменник снаружи и внутри. Он состоит из цилиндрического кожуха с двумя штуцерами, в нём и двух распределительных камер по обе стороны кожуха.

Трубы собраны вместе и удерживаются внутри кожуха посредством двух трубных решёток – цельнометаллических дисков с просверленными в них отверстиями; трубные решётки отделяют распределительные камеры от корпуса теплообменника. Трубы на трубной решётке могут крепиться методами сварки, развальцовки или сочетанием этих двух методов.

Рисунок 3. Трубная решётка с развальцованными трубами пучка. Первый теплоноситель попадает сразу в кожух через впускной штуцер и покидает его через штуцер выпуска. Второй теплоноситель вначале подаётся в распределительную камеру, откуда направляется в трубный пучок. Попадая во вторую распределительную камеру, поток «разворачивается» и вновь проходит сквозь трубы к первой распределительной камере, откуда выходит через собственный выпускной штуцер. При этом, обратный поток направляется через другую часть трубного пучка, чтобы не препятствовать прохождению «прямого» потока.

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.

Рисунок 5. Трубы для кожухотрубчатого теплообменника с волнообразной накаткой. 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.

Производит стандартные и модернизированные кожухотрубные теплообменники по современным технологиям для новых устанавливаемых линий, а также выпускает агрегаты, предназначенные для замены выработавших свой ресурс теплообменников. и его изготовление производятся по индивидуальным заказам, с учётом всех параметров и требований конкретной технологической ситуации.

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.

Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов поверхностного типа непрерывного действия весьма разнообразны. Рассмотрим наиболее характер­ные.

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.

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. 4.5 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 по­верхностью теплообмена около 15 тыс. м 2 .

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 57 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, заварки, 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 (см. рис. 4.5).

Рис. 4.5. Типы кожухотрубчатых теплообменников:

а - одноходовый; б - многоходовый; 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; 5 - входная камера; 6 - продольная перегородка; 7 - камера; 8 - перегородки в камере; 9 - линзовый компенсатор; 10 - плавающая головка; 11 –сальник; 12 - U-образные трубы; I, II - теплоносители

Крышки кожухотрубчатых аппаратов имеют форму плоских плит, конусов, сфер, а чаще всего выпуклых или вогнутых эллип­сов.

Секционные теплообменники (рис. 4.6) представля­ют собой разновидность трубчатых аппаратов и состоят из несколь­ких последовательно соединенных секций, каждая из которых пред­ставляет собой кожухотрубчатый теплообменник с малым числом труб и кожухом небольшого диаметра.

В секционных теплообменниках при одинаковых расходах жид­костей скорости движения теплоносителей в трубах и межтруб­ном пространстве почти равновелики, что обеспечивает повы­шенные коэффициенты теплопередачи по сравнению с обыч­ными трубчатыми теплообменниками. Простейшим из этого типа является теплообменник «труба в трубе» (в наружную трубу встав­лена труба меньшего диаметра). Все элементы аппарата соедине­ны сваркой.

Рис. 4.6. Секционные теплообменники:

а - водяной подогреватель теплосети; б - типа «труба в трубе»; 1 - линзовый компенсатор; 2 - трубки; 3 - трубная решетка с фланцевым соединением с кожухом; 4 - «калач»; 5 - соединительные патрубки

Недостатками секционных теплообменников являются: высо­кая стоимость единицы поверхности нагрева, так как деление ее на секции вызывает увеличение количества наиболее дорогих эле­ментов аппарата - трубных решеток, фланцевых соединений, переходных камер, компенсаторов и т.д.; значительные гидрав­лические сопротивления вследствие различных поворотов и пере­ходов вызывают повышенный расход электроэнергии на привод прокачивающего теплоноситель насоса.

Кожухи серийных секционных теплообменников изготовляют из труб длиной до 4 м, внутренним диаметром от 50 до 305 мм. Число труб в секции составляет от 4 до 151, поверхность нагрева от 0,75 до 26 м 2 , трубы латунные диаметром 16/14 мм. Отношение поверхно­сти нагрева к объему теплообменника достигает 80 м 2 /м 3 , а удель­ный конструкционный вес составляет 50...80 кг/м 2 поверхности нагрева.

Спиральные теплообменники (рис. 4.7) состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, по которым движутся теплоносители I и II. Каналы образуются металлически­ми листами, которые служат поверхностью теплообмена. Внут­ренние концы спиралей соединены разделительной перегородкой. Для обеспечения жесткости конструкции и фиксирования рас­стояния между спиралями приваривают бобышки. С торцов спи­рали закрывают крышками и стягивают болтами.

Горизонтальные спиральные теплообменники применяют для теплообмена между двумя жидкостями. Для теплообмена между конденсирующимся паром и жидкостью используют вертикаль­ные спиральные теплообменники. Такие теплообменники приме­няют в качестве конденсаторов и паровых подогревателей для жид­кости.

Рис. 4.7. Типы спиральных теплообменников:

а - горизонтальный; б - вертикальный; 1, 3 - листы; 2 - разделительная перегородка; 4 - крышки; I, II - теплоносители

К достоинствам спиральных теплообменников можно отнести компактность (большая поверхность теплообмена в единице объ­ема, чем у многоходовых трубчатых теплообменников) при оди­наковых коэффициентах теплопередачи и меньшее гидравличес­кое сопротивление для прохода теплоносителей. К недостаткам - сложность изготовления и ремонта и пригодность работы под из­быточным давлении не свыше 1,0 МПа.

Пластинчатые теплообменники имеют плоские по­верхности теплообмена. Обычно такие теплообменники применя­ют для теплоносителей, коэффициенты теплоотдачи которых оди­наковы.

Недостатками изготовлявшихся до недавнего времени пластин­чатых теплообменников являлись малая герметичность и незначи­тельные перепады давлений между теплоносителями.

В последнее время изготовляют компактные разборные плас­тинчатые теплообменники, состоящие из штампованных метал­лических листов с внешними выступами, расположенными в ко­ридорном или шахматном порядке. Такие конструкции приме­няются для теплообмена между жидкостями и газами и работают при перепадах давлений до 12 МПа. На рис. 4.8 представлено не­сколько конструкций теплообменников такого типа. Благодаря незначительному расстоянию между пластинами (6...8 мм) такие теплообменники весьма компактны. Удельная поверхность нагре­ва F/V составляет 200...300 м 2 /м 3 . Поэтому пластинчатые теплооб­менники в ряде случаев вытесняют трубчатые и спиральные.

Но такой конструкции присущи следующие недостат­ки: трудность чистки внутри каналов, ремонта, частичной заме­ны поверхности теплообмена, а также невозможность изготовле­ния пластинчатых теплообменников из чугуна и хрупких матери­алов и длительная эксплуатация.

В настоящее время в системах теплоснабжения жилищно-ком­мунальных хозяйств и ряда промышленных предприятий в каче­стве подогревателей горячего водоснабжения (ГВС) и отопления устанавливаются пластинчатые теплообменники (рис. 4.8) вместо ранее используемых для этих целей традиционных секционных кожухотрубных подогревателей. Это связано с целым рядом обстоя­тельств и преимуществ:

1. Коэффициент теплопередачи в пластинчатых теплообменни­ках в 3...4 раза больше, чем в кожухотрубных, благодаря специальному гофрированному профилю проточной части пластины, обеспечивающему высокую степень турбулизации потоков тепло­носителей. Соответственно в 3...4 раза поверхность пластинчатых теплообменников меньше, чем кожухотрубных.

Рис. 4.8. Пластинчатый водоводяной теплообменник «Теплотекс»:

а - общий вид; б - схема движения теплоносителей

2. Пластинчатые теплообменники имеют малую металлоем­кость, очень компактны, их можно установить в небольшом по­мещении.

3. В отличие от кожухотрубных они легко разбираются и быстро чистятся. При этом не требуется демонтаж подводящих трубопро­водов.

4. В пластинчатом теплообменнике можно легко и быстро заме­нить пластину или прокладку, а также увеличить его поверхность, если со временем возрастет тепловая нагрузка.

Секционные кожухотрубные теплообменники трудно точно рас­считать на требуемую тепловую производительность и допусти­мые потери напора, так как поверхность одной секции велика и Достигает 28 м 2 (при D y = 300 мм).

Пластинчатые теплообменники набираются из отдельных пла­стин, поверхность нагрева которых, как правило, не превышает одного метра. Это обстоятельство в сочетании с оптимально выб­ранным типом пластины позволяет точно без лишнего запаса выб­рать теплопередающую поверхность теплообменника.

По своим техническим характеристикам теплообменники «Теплотекс» являются разборными и одноходовыми; материал пласти­ны - сталь ALSL 316; толщина пластины - 0,5 ...0,6 мм; матерная прокладки - резина EPDM; максимальная рабочая температуря теплоносителя - 150 °С; рабочее давление - 1... 2,5 МПа; расходы воды в зависимости от типа теплообменника от 2 до 100 кг/с; поверхность - от 1,5 до 373 м 2 .

Ребристые теплообменники применяются в тех случаях, когда коэффициент теплоотдачи для одного из теплоно­сителей значительно ниже, чем для второго. Поверхность теп­лообмена со стороны теплоносителя с низким значением α уве­личивают по сравнению с поверхностью теплообмена со стороны другого теплоносителя. В таких аппаратах поверхность теплообмена имеет на одной стороне ребра различной формы (рис. 4.9). Как видно из рисунка, ребристые теплообменники изготовляют самых различных конструкций. При этом ребра выполняю» поперечными, продольными, в виде игл, спиралей, из витой проволоки и т.д.

Рис. 4.9. Типы ребристых теплообмен­ников:

а - пластинчатый; б - чугунная труба с круглыми ребрами; в - трубка со спираль­ным оребрением; г - чугунная труба с внут­ренним оребрением; д - плавниковое оребрение трубок; е - чугунная труба с двусто­ронним игольчатым оребрением; ж - про­волочное (биспиральное) оребрение трубок; з - продольное оребрение труб; и - много­ребристая трубка