Принцип работы кожухотрубного теплообменника

При проведении профилактических и ремонтных работ крайне важно проявлять осторожность, так как любое вмешательство в конструкцию может способствовать изменению уровня теплоотдачи. Это, в свою очередь, может привести к несанкционированной остановке процесса теплообмена, что гораздо сложнее исправить.

Кожухотрубные теплообменники: особенности и применение

Кожухотрубные или кожухотрубчатые теплообменники предназначены для передачи тепловой энергии между двумя взаимодействующими потоками. Эти устройства занимают особое место среди множества аналогичных систем, доступных на рынке. Их использование началось в начале XX века, когда возникла острая необходимость в установке высокопроизводительных аппаратов на тепловых станциях, способных осуществлять теплообмен при высоком давлении в системе.

Сегодня кожухотрубные теплообменники находят широкое применение не только в различных промышленных секторах, таких как химическая и нефтяная отрасли, но и в повседневной жизни, особенно в отраслях жилищно-коммунального хозяйства.

Конструкция, конструктивные особенности и принцип действия

Стандартная конструкция кожухотрубного теплообменника включает в себя следующие элементы:

• трубный металлический пучок, который обеспечивает контакт между теплоносителями;
• кожух, который защищает трубный пучок и служит для удержания другого теплоносителя;
• коллектор, разводящий потоки;
• входные и выходные патрубки с фланцами для подключения к системам;
• перегородки, направляющие поток и повышающие эффективность теплообмена;
• уплотнительные элементы, которые предотвращают утечки;
• трубные пластины, которые усиливают конструкцию.

Теплообменники могут иметь разнообразные модификации, которые позволяют выбрать устройство, наилучшим образом соответствующее условиям производства. В зависимости от метода крепления трубных пучков к решетке выделяются следующие виды:

• Закрепленные с помощью развальцовки — наиболее распространенный и удобный для эксплуатации метод;
• Приварные — используются при подаче теплоносителей под высоким давлением;
• С сальниковым устройством — более дорогой и сложный метод, который позволяет устранить температурные деформации и облегчает процесс разборки и очистки;
• С фланцевым соединением;
• Запаянные.

В зависимости от расположения труб, теплообменники могут быть горизонтальными или вертикальными. Вертикальные модели, как правило, проще в эксплуатации и занимают меньше пространства.

По способу организации процесса кожухотрубные теплообменники делятся на устройства непрерывного и периодического действия.

Кожухотрубный теплообменник представляет собой цилиндрический корпус (кожух), внутри которого располагается пучок труб, фиксированных на трубных перемычках. Снаружи имеются входные и выходные отверстия, а также отводной канал для дренажа жидкости из межтрубного пространства.

Принцип работы данного оборудования основывается на передаче тепловой энергии от одной среды к другой через стенки трубного пучка. Один теплоноситель циркулирует внутри труб, в то время как другой находится под давлением в межтрубном отсеке. При этом оба потока могут находиться в различных агрегатных состояниях: жидкостном, газообразном или парообразном. Эффективность теплообмена зависит от скорости циркуляции веществ через устройство, которая, в свою очередь, определяется количеством трубок, расположенных внутри цилиндрической емкости.

Конструкция и принцип работы кожухотрубного теплообменника

Основные элементы, составляющие агрегат независимо от его вида:

• цилиндрический кожух;
• наружные патрубки — входящие и выходные;
• пучок бесшовных труб одинакового диаметра, закрепленный решетками, при этом трубы могут иметь диаметр от 12 до 57 мм и располагаться в vertical или horizontal orientation;
• днище — с плоской или сферической формой.

Принцип действия:

• В трубы подается первый рабочий поток;
• В внутреннюю область цилиндра поступает второй поток среды;
• Оба потока обмениваются тепловой энергией через разделительную стенку, без прямого контакта друг с другом, в результате чего один поток охлаждается, а другой нагревается.

Разновидности конструкций кожухотрубных теплообменников

В зависимости от предполагаемой области применения, выбираются конструкции с жестким, полужестким или нежестким кожухом, а также вертикального или горизонтального расположения и одно- или многоходовые устройства. Конфигурация аппарата, его длина и количество трубок влияют на:

• скорость перемещения среды;
• энергоэффективность;
• коэффициент теплопередачи.

Материалы, используемые для изготовления этих аппаратов, выбираются исходя из характеристик рабочих сред, с которыми они будут контактировать. При проектировании новых модификаций разработчики стараются устранить основной недостаток данного типа оборудования — физическое расширение или сужение стальных элементов при контактировании с горячими и холодными средами. В настоящее время серийно производятся кожухотрубчатые теплообменники нескольких видов, описанных ниже.

С температурными компенсаторами на корпусе

Эта конструкция предназначена для работы при невысоких давлениях и высоких температурах. Температурные линейные деформации, возникающие на кожухе, уравновешиваются с помощью компенсаторов, таких как сильфоны, сальниковые или линзовые устройства.

Система с плавающей головкой

В такой конструкции имеется плавающая головка, которая не жестко связана с кожухом, и служит для соединения трубок. При тепловом воздействии среды длина трубок изменяется, что вызывает свободное перемещение головки внутри корпуса. Данная структура предотвращает деформации кожуха и обеспечивает равномерное распределение напряжений. Она используется в технологических процессах, где не предполагаются сильные загрязнения трубок или где их очистка осуществляется просто.

Для обеспечения эффективной работы кожухотрубных теплообменников, особенно в условиях контактирования с загрязненными средами, важно проводить профилактическое обслуживание. Оно включает в себя аккуратную очистку внутренней поверхности трубок с минимизацией риска их повреждения и своевременное устранение протечек.

Виды и типы кожухотрубных теплообменников

Кожухотрубные теплообменники могут иметь диаметр в пределах от 159 до 3000 мм и длину от 0,1 до десятков метров. Максимально допустимый уровень давления достигает 160 кг/см². Существует несколько основных типов таких установок:

1. Со встроенными трубчатыми решетками. У них конструктивно предусмотрена жесткая сцепка всех составляющих, они чаще всего используются в нефтегазовой и химической промышленности. На их долю приходится около трех четвертей рыночного предложения. Характеризуются приваренными к внутренней стороне корпуса решетками труб и прочно зафиксированными трубками, что предотвращает их смещение внутри корпуса.

В зависимости от направления потока, агрегаты подразделяются на:

1. Одноточные.
2. Противоточные.
3. Перекресточные.

Эти аппараты могут быть одноходовыми и многоходовыми. В первом исполнении поток перемещается по короткой траектории, как в водонагревателе ВВП, применяемом в отопительных системах. Этот вариант намного лучше подходит для участков, где разница температур между окружающей средой и теплоносителем минимальна. Второй тип оснащен поперечными или продольными перегородками, которые перенаправляют потоки теплоносителей. Они используются в местах, где критически важна высокая скорость теплообмена.

Эксплуатационные характеристики

Одним из преимуществ трубчатых теплообменников считается их долгий срок эксплуатации. Для поддержания надежности и долговечности оборудования необходимо своевременно осуществлять техническое обслуживание. Чаще всего трубы агрегата заполняются нефильтрованной жидкостью, что может вызвать их закупорку и, как следствие, привести к сбоям в работе всей системы. Поэтому регулярная очистка трубок и промывка остальных элементов являются важнейшими задачами.

При необходимости ремонта обязательно проводится диагностика, в ходе которой выявляются основные проблемы. Наиболее уязвимой частью агрегата являются именно трубы, так как они чаще всего подвержены повреждениям.

Существует несколько типов теплообменников

• Теплообменник: потоки состоят из однофазных технологических жидкостей.
• Охладитель: один поток выступает как основной, а другой является более холодным, например, это может быть воздух или охлаждающая вода.
• Нагреватель: один поток также будет основным, а второй — горячий вспомогательный поток, такой как пар или горячее масло.
• Конденсатор: одна сторона содержит двухфазный поток с газом на точке росы, который конденсируется на другой стороне при помощи холодного теплоносителя, такого как воздух или холодная вода.
• Чиллер: основной поток конденсируется при температурах ниже атмосферных, в то время как другой поток является кипящим хладагентом.
• Ребойлер: один поток – это испаряющийся поток из дистилляционной колонны, а другой — горячий вспомогательный поток или основной поток.

Выбор типа теплообменника

Определение наилучшего типа теплообменника обусловлено множеством факторов, включая:

• свойства технологических жидкостей;
• скорость потока;
• условия эксплуатации и обслуживания оборудования;
• расчет перепадов температур и необходимой площади для теплообмена.

Международные стандарты теплообменников

Кожухотрубные теплообменники также подлежат классификации и стандартизации в соответствии с принятыми в международной практике стандартами, такими как TEMA и ASME. Эти стандарты обеспечивают систему обозначения основных типов теплообменников и гарантируют их качество. Например, стандарт TEMA использует трехбуквенные комбинации для обозначения типа передней и задней головок, а также типа кожуха.

Хотя использование TEMA может быть затруднено из-за различий в размерах в российском производстве, что связано с метрической системой, большинство отечественных теплообменников, создаваемых в соответствии с стандартами ВНИИНефтемаш, тем не менее, соответствуют этим требованиям по качеству. ВНИИНефтемаш, являясь главным научно-исследовательским и проектно-конструкторским институтом в области химического и нефтяного машиностроения, обеспечивает соответствие отечественного оборудования международным стандартам.

Наши инженеры смогут изучить ваш проект, произвести необходимые расчеты и предложить оптимальные решения.

Вы можете отправить нам заполненный опросный лист другой компании, либо скачать и заполнить наши опросные листы.

Отправляя данную форму, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом.

• Фильтр-осушитель чиллера: для чего он нужен, как выбрать и заменить его.
• Смотровое стекло чиллера.
• Замена масла в компрессоре чиллера.
• Фреонопровод — требования и правила монтажа.
• Вакуумирование и осушка холодильного контура чиллера.
• Признаки, диагностика и решения для слабого конденсатора холодильной установки.
• Холодильное оборудование — воздушное и водяное охлаждение: выбираем оптимальный вариант.
• Как определить слабый компрессор холодильной установки и что делать в таких ситуациях?
• Что такое ТРВ холодильной установки: принцип работы, настройка, регулировка и возможные неисправности.
• Как выполнить поиск утечки фреона в чиллере.
• Обвязка чиллера с гидромодулем: схема и принцип работы.
• Схема работы чиллера.
• Разбираемся в разновидностях чиллеров.
• Как правильно подобрать конденсатор с учетом температуры наружного воздуха.
• Характеристики и свойства различных хладагентов.
• Пластинчатые теплообменники.
• Как рассчитать расход среды и выбрать запорную арматуру и измерительное оборудование для холодильной установки.
• Как обеспечить качественную вентиляцию и кондиционирование воздуха в складских помещениях.
• Старт эксплуатации моноблочного чиллера — что нужно проверить?
• Кожухотрубные теплообменники: принцип работы.
• Как защитить теплообменник чиллера от коррозии.
• Фрикулинг — принцип работы и преимущества.
• Конструктивные особенности и принцип работы драйкуллера.
• Влияние качества воды и ее жесткости на системы охлаждения и чиллеры.
• Проектирование систем холодоснабжения.
• Почему компрессор в чиллере может выйти из строя — 7 основных причин.
• Ремонт и техническое обслуживание системы чиллер-фанкойл.
• Особенности чиллеров для охлаждения воды в замкнутых системах.
• Важные факты о чиллерах, которые стоит знать каждому.
• Как правильно выбрать насос для промышленного чиллера.
• Как проходит диагностика руфтопов?
• Чиллеры с фрикулингом для серверных помещений.
• Когда имеет смысл устанавливать сухой охладитель?
• Регламент обслуживания чиллеров.
• Как повысить эффективность центробежных чиллеров?
• Фрикулинг в центрах обработки данных: области применения.
• Ошибки, связанные с компрессором чиллера.
• Ошибки, связанные с жидкостной линией.
• Правильный выбор подрядчика для монтажа прецизионных кондиционеров.
• Ошибки, возникающие из-за повышенного давления фреона.
• Ошибки, возникающие из-за пониженного давления фреона.
• Профилактика утечек холодильного агента.
• Проблемы с оттаиванием испарителя.
• Обеспечение нормальной работы испарителя чиллера.
• Затопление холодильных установок.
• Анализ неисправностей компрессоров, работающих под герметичной оболочкой, и методы их устранения.
• Замена капиллярной трубки.
• Гидравлические удары и меры по их предотвращению.
• Влага в системе холодильной установки: причины и меры борьбы.
• Гидромодуль для систем охлаждения: что это такое и для чего нужен.
• Применение кожухотрубных теплообменников в различных отраслях.
• Перегрев фреона в чиллере: причины и последствия.
• Как выбрать аналог компрессора для чиллера.
• Как правильно подобрать чиллер, учитывая все аспекты.
• Отклонения в работе двигателя компрессора (Copeland): выявление и устранение.
• 7 ошибок, которые чаще всего допускают при выборе чиллера.
• Переохлаждение фреона в чиллере: что нужно знать.
• Правила эксплуатации чиллера: что важно учитывать.
• Правильный уход за теплообменником, включая чистку конденсатора.
• Рекомендации по выбору места для установки чиллера.
• Как снизить шум чиллера во время работы?
• Список требований к помещению, в котором будет установлен чиллер.
• Проблемы с высоким и низким давлением в чиллере: способы диагностики.
• Перегрев компрессора чиллера: виды, последствия и пути решения.
• Обмерзание компрессора чиллера: причины и способы устранения.
• Общие ошибки, встречающиеся при эксплуатации чиллера.
• Неисправности чиллера, их диагностика и решение проблем.

Сферы применения

Изначально кожухотрубные теплообменники разрабатывались для физических нужд крупных промышленных предприятий, где требовались нагреватели с большими поверхностями, работающие под высоким давлением.

Основные направления, где чаще всего применяются такие системы, включают:

• Пищевая промышленность, где высокие требования к санитарии и гигиене;
• Химическаяindustries, где требуют особую устойчивость к corrosive materials;
• Нефтегазовый сектор, где необходима надежная работа под экстремальными условиями.

Наиболее активно такие теплообменники используются для нагрева и охлаждения рабочих жидкостей, а также для эффективной работы тепловых насосных станций. Их также используют в качестве испарителей и конденсаторов.

Советы по выбору и эксплуатации

Если характеристики работы теплообменника недостаточны, то есть несколько способов улучшить его технические параметры:

• Использование специализированных смесей, содержащих различные жидкости и газы;
• Установка витков и профильных трубок для повышения эффективности;
• Монтаж спиральных вставок, которые нужны для улучшенного обтекания труб;
• Создание вибрации для поверхностей, где происходит теплообмен.

На практике современные производители чаще всего комбинируют эти методы с целью значительного повышения коэффициента полезного действия нагревательного устройства.

Чтобы правильно выбрать кожухотрубный теплообменник, необходимо знать, как рассчитать его характеристики в соответствии с вашими личными требованиями и задачами.

Во-первых, следует определить, что будет циркулировать по трубам: вода или газ. Для газообразных и жидкостных теплоносителей необходимо поддерживать свои интервалы скорости циркуляции. Например, для газа скорость может варьироваться от 3 до 30 метров в секунду, в то время как для жидкости этот диапазон меньше — от 0.6 до 6 м/с.

Важно! Чем выше скорость циркуляции теплоносителя, тем больше будут энергозатраты на его прокачку. Поэтому разумным будет несколько снизить ее, чтобы устройство работало более экономично.

Во-вторых, важно определить материал изготовления трубок теплообменника, что зависит от типа рабочей среды. Например, для работы в условиях с агрессивными веществами следует выбирать модели с трубами из нержавеющей стали.

В-третьих, размер нагревателя — не менее важный фактор. Так как многие кожухотрубные нагреватели являются крупногабаритными, нужно заранее подготовить место для установки, учитывая доступ с любой стороны для обслуживания.

Что касается эксплуатации, данный тип теплообменников отличается неприхотливостью. При возникновении поломки специалисты рекомендуют приобретать установку с запасными трубками, поскольку они являются самой уязвимой частью конструкции и выходят из строя чаще других элементов. Необходимо помнить, что после любой поломки и последующего ремонта, эффективность работы оборудования может снизиться.

Ремонтные работы желательно не выполнять самостоятельно. Лучше всего вызвать специалиста с опытом работы с подобным оборудованием. Рискуя повредить конструкцию, можно значительно снизить эффективность кожухотрубного теплообменника.