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

Смонтированная и готовая к работе пластинчатая теплообменная установка отличается небольшими габаритами и высоким уровнем производительности. Так, удельная рабочая поверхность такого аппарата может достигать 1,500 м 2 /м 3 .Конструкция таких аппаратов включает набор гофрированных пластин, которые отделяются друг от друга прокладками. Прокладки образуют герметичные каналы. Среда, отдающая тепло течет в пространстве между полостями, а внутри полостей находится среда, которая поглощает тепло или наоборот. Пластины монтируются на штанговой раме и расположены плотно относительно друг друга.

Каждая пластина оснащена следующий набор прокладок:

• прокладка по периметру, которая ограничивает канал для теплоносителя и два отверстия его входа и выхода;
• две малые прокладки, которые изолируют два других угловых отверстия для прохода второго теплового носителя.

Таким образом, конструкция имеет четыре раздельных канала для входа и выхода двух сред, участвующих в теплообменных процессах. Данный тип аппаратов способен распределять потоки по всем каналам параллельно или последовательно. Так, при необходимости, каждый поток может проходить по всем каналам или определенным группам.

К достоинствам данного типа аппаратов принято относить интенсивность теплообменного процесса, компактность, а также возможность полного разбора агрегата с целью очистки. К недостаткам причисляют необходимость скрупулезной сборки для сохранения герметичности (как результат большого количества каналов). Кроме того, минусами такой конструкции является склонность к коррозии материалов, из которых изготовлены прокладки и ограниченная тепловая стойкость.

В случаях, когда возможно загрязнение поверхности нагрева одним из теплоносителей, используют агрегаты, конструкция которых состоит из попарно сваренных пластин. Если загрязнение нагреваемой поверхности исключено со стороны обоих теплоносителей, применяются сварные неразборные теплообменные аппараты (как, например, аппарат с волнообразными каналами и перекрестным движением теплоносителей).

Принцип действия пластинчатого теплообменника

Пластинчатый теплообменник для дизельного топлива

Наименование	Горячая сторона	Холодная сторона
Расход (кг/ч)	37350,00	20000,00
Температура на входе (°C)	45,00	24,00
Температура на выходе (°C)	25,00	42,69
Потеря давления (bar)	0,50	0,10
Теплообмен (кВт)	434
Термодинамические свойства:	Дизельное топливо	Вода
Удельный вес (кг/м³)	826,00	994,24
	2,09	4,18
Теплопроводимость (Вт/м*K)	0,14	0,62
Средняя вязкость (мПа*с)	2,90	0,75
Вязкость у стенки (мПа*с)	3,70	0,72
Подводящий патрубок	B4	F3
Отводящий патрубок	F4	B3
Исполнение рамы / пластин:
	2 х 68 + 0 х 0
Расположение пластин (проход*канал)	1 х 67 + 1 х 68
Количество пластин	272
	324,00
Материал пластин	0.5 мм AL-6XN
	NITRIL	/ 140
	150,00
	16,00 / 22,88 PED 97/23/EC, Kat II, Modul Al
	16,00
Тип рамы / Покрытие	IS No 5 / Категория C2	RAL5010
	DN 150 Фланец St.37PN16
	DN 150 Фланец St.37PN16
Объем жидкости (л)	867
Длина рамы (мм)	2110
Макс.число пластин	293

Пластинчатый теплообменник для сырой нефти

Наименование	Горячая сторона	Холодная сторона
Расход (кг/ч)	8120,69	420000,00
Температура на входе (°C)	125,00	55,00
Температура на выходе (°C)	69,80	75,00
Потеря давления (bar)	53,18	1,13
Теплообмен (кВт)	4930
Термодинамические свойства:	Пар	Сырая нефть
Удельный вес (кг/м³)		825,00
Удельная теплоемкость (кДж/кг*K)		2,11
Теплопроводимость (Вт/м*K)		0,13
Средняя вязкость (мПа*с)		20,94
Вязкость у стенки (мПа*с)		4,57
Степень загрязнения (м²*K/кВт)		0,1743
Подводящий патрубок	F1	F3
Отводящий патрубок	F4	F2
Исполнение рамы / пластин:
Расположение пластин (проход*канал)	1 х 67 + 0 х 0
Расположение пластин (проход*канал)	2 х 68 + 0 х 0
Количество пластин	136
Фактическая поверхность нагрева (м²)	91.12
Материал пластин	0.6 мм AL-6XN
Материал прокладки / Макс. темп. (°C)	VITON	/ 160
Макс. расчетная температура (C)	150,00
Макс. рабочее давление /испыт. (bar)	16,00 / 22,88 PED 97/23/EC, Kat III, Modul В+C
Макс. дифференциальное давление (bar)	16,00
Тип рамы / Покрытие	IS No 5 / Категория C2	RAL5010
Присоединения на горячей стороне	DN 200 Фланец St.37PN16
Присоединения на холодной стороне	DN 200 Фланец St.37PN16
Объем жидкости (л)	229
Длина рамы (мм)	1077
Макс.число пластин	136

Пластинчатый теплообменник

Наименование Горячая сторона Холодная сторона Расход (кг/ч) 16000,00 21445,63 Температура на входе (°C) 95,00 25,00 Температура на выходе (°C) 40,00 45,00 Потеря давления (bar) 0,05 0,08 Теплообмен (кВт) 498 Термодинамические свойства: Азеотропная смесь Вода Удельный вес (кг/м³) 961,89 993,72 Удельная теплоемкость (кДж/кг*K) 2,04 4,18 Теплопроводимость (Вт/м*K) 0,66 0,62 Средняя вязкость (мПа*с) 0,30 0,72 Вязкость у стенки (мПа*с) 0,76 0,44 Степень загрязнения (м²*K/кВт) Подводящий патрубок F1 F3 Отводящий патрубок F4 F2 Исполнение рамы / пластин: Расположение пластин (проход*канал) 1 х 29 + 0 х 0 Расположение пластин (проход*канал) 1 х 29 + 0 х 0 Количество пластин 59 Фактическая поверхность нагрева (м²) 5,86 Материал пластин 0.5 мм AL-6XN Материал прокладки / Макс. темп. (°C) VITON / 140 Макс. расчетная температура (C) 150,00 Макс. рабочее давление /испыт. (bar) 10,00 / 14,30 PED 97/23/EC, Kat II, Modul Аl Макс. дифференциальное давление (bar) 10,00 Тип рамы / Покрытие IG No 1 / Категория C2 RAL5010 Присоединения на горячей стороне DN 65 Фланец St.37PN16 Присоединения на холодной стороне DN 65 Фланец St.37PN16 Объем жидкости (л) 17 Длина рамы (мм) 438 Макс.число пластин 58

Пластинчатый теплообменник для пропана

Наименование	Горячая сторона	Холодная сторона
Расход (кг/ч)	30000,00	139200,00
Температура на входе (°C)	85,00	25,00
Температура на выходе (°C)	30,00	45,00
Потеря давления (bar)	0,10	0,07
Теплообмен (кВт)	3211
Термодинамические свойства:	Пропан	Вода
Удельный вес (кг/м³)	350,70	993,72
Удельная теплоемкость (кДж/кг*K)	3,45	4,18
Теплопроводимость (Вт/м*K)	0,07	0,62
Средняя вязкость (мПа*с)	0,05	0,72
Вязкость у стенки (мПа*с)	0,07	0,51
Степень загрязнения (м²*K/кВт)
Подводящий патрубок	F1	F3
Отводящий патрубок	F4	F2
Исполнение рамы / пластин:
Расположение пластин (проход*канал)	1 х 101 + 0 х 0
Расположение пластин (проход*канал)	1 х 102 + 0 х 0
Количество пластин	210
Фактическая поверхность нагрева (м²)	131,10
Материал пластин	0.6 мм AL-6XN
Материал прокладки / Макс. темп. (°C)	NITRIL	/ 140
Макс. расчетная температура (C)	150,00
Макс. рабочее давление /испыт. (bar)	20,00 / 28,60 PED 97/23/EC, Kat IV, Modul G
Макс. дифференциальное давление (bar)	20,00
Тип рамы / Покрытие	IS No 5 / Категория C2	RAL5010
Присоединения на горячей стороне	DN 200 Фланец AISI 316 PN25 DIN2512
Присоединения на холодной стороне	DN 200 Фланец AISI 316 PN16
Объем жидкости (л)	280
Длина рамы (мм)	2107
Макс.число пластин	245

Описание пластинчато-ребристых теплообменных аппаратов

Удельная рабочая поверхность данного аппарата может достигать 2,000 м 2 /м 3. К плюсам таких конструкций принято относить:

• возможность теплообмена между тремя и более теплоносителями;
• небольшой вес и объем.

Конструктивно пластинчато-ребристые теплообменники состоят из тонких пластин, между которыми находятся гофрированные листы. Данные листы припаяны к каждой пластине. Таким образом, теплоноситель разбивается на мелкие потоки. Аппарат может состоять из любого числа пластин. Теплоносители могут перемещаться:

• прямотоком;
• перекрестным потоком.

Существуют следующие типы ребер:

• гофрированные (рифленые), образующие волнистую линию вдоль потока;
• прерывистые ребра, т.е. смещенные относительно друг друга;
• чешуйчатые ребра, т.е. имеющие прорези, которые отогнуты в одну или разные стороны;
• шиповидные, т.е. изготовленные из проволоки, которые могут располагаться в шахматном или коридорном порядке.

Пластинчато-ребристые теплообменные аппараты применяют как регенеративные теплообменники.

Блочные графитовые теплообменные аппараты: описание и применение

Теплообменные аппараты , выполненные из графита, характеризуются следующими качествами:

• высокой стойкостью к коррозии;
• высоким уровнем проводимости тепла (может достигать до 100 Вт/(м·К)

Благодаря указанным качествам, теплообменники данного типа широко используются в химической промышленности. Наибольшее распространение получили блочные графитовые аппараты, основным элементом которых является графитовый блок в форме параллелепипеда. В блоке есть непересекающиеся отверстия (вертикальные и горизонтальные), которые предназначаются для движения теплоносителей. Конструкция блочного графитового теплообменника может включать в себя один и более блоков. По горизонтальным отверстиям в блоке осуществляется двухходовое движение теплоносителя, которое возможно благодаря боковым металлическим плитам. Теплоноситель, который перемещается по вертикальным отверстиям, совершает один или два хода, что определяется конструкцией крышек (верхней и нижней). В теплообменниках с увеличенными боковыми гранями, теплоноситель, двигающийся вертикально может делать два или четыре хода.

Графитовый теплообменник, пропитанный фенолоальдегидным полимером, кольцевого блочного типа, с поверхностью теплообмена 320 м 2

Графитовый теплообменник кольцевого блочного типа для H2SO4

Технические характеристики:

Охладитель
Наименование	Размерность	Горячая сторона		Холодная сторона
		Вход	Выход	Вход	Выход
Среда		H2SO4 (94%)		Вода
Расход	м³/ч	500		552,3
Рабочая тепература	°C	70	50	28	40
Физ. Свойства
Плотность	г/cм³	1,7817	1,8011	1
Удельная теплоёмкость	ккал/кг °C	0,376	0,367	1
Вязкость	cП	5	11,3	0,73
Теплопроводность	ккал/чм°C	0,3014	0,295	0,53
Поглощённое тепло	ккал/ч	6628180
Исправленная средняя разность температур	°C	25,8
Перепад давления (допуст./расч.)	кПа	100/65		100/45
Коэффициент теплопередачи	ккал/чм²°C	802,8
Коэффициент загрязнения	ккал/чм²°C	5000		2500
Расчётные условия
Расчётное давление	бар	5		5
Рсчётная температура	°C	100		50
Спецификация / материалы
Требуемая площадь поверхности теплопередачи	м²	320
Прокладки, материал		тефлон (фторопласт)
Блоки, материал		Графит, пропитка фенольно-альдегидным полимером
Размеры (диаметр×длина)	мм	1400*5590
Внутренний диаметр канала, осевой / радиальный		20мм/14мм
Кол-во проходов		1		1
Кол-во блоков		14

Графитовый теплообменник для суспензии гидрата двуокиси титана и раствора серной кислоты

Технические характеристики:

Наименование	Размерность	Горячая сторона		Холодная сторона
		Вход	Выход	Вход	Выход
Среда		Суспензия гидрата двуокиси Титана и 20% H2SO4		Вода
Расход	м³/ч	40		95
Рабочая тепература	°C	90	70	27	37
Рабочее давление	бар	3		3
Поверхность теплообмена	м²	56,9
Физические свойства
Плотность	кг/м³	1400		996
Удельная теплоёмкость	кДж/кг∙°C	3,55		4,18
Удельная теплопроводность	Вт/м∙К	0,38		0,682
Динамическая вязкость	сП	2		0,28
Термостойкость к загрязнению	Вт/м²∙К	5000		5000
Перепад давления(рассчитанный)	бар	0,3		0,35
Теплообмен	кВт	1100
Средняя разница температур	оС	47,8
Коэффициент теплопередачи	Вт/м²∙К	490
Расчетные условия
Расчётное давление	бар	5		5
Рсчётная температура	°C	150		150
Материалы
Прокладки		PTFE
Кожух		Углеродистая сталь
Блоки		Графит, пропитанный фенольной смолой

Теплопроводы для химической промышленности

Теплопровод является перспективным устройством, применяемым в химической отрасли с целью интенсификации процессов теплообмена. Теплопровод это полностью герметичная труба с любым профилем сечения, выполненная из металла. Корпус трубы футерован пористо-капиллярным материалом (фитилем), стекловолокном, полимерами, пористыми металлами и т.п. Количество подаваемого теплоносителя должно быть достаточным для пропитки фитиля. Предельная рабочая температура колеблется от любой низкой до 2000 °C. В качестве теплоносителя используют:

• металлы;
• высококипящие органические жидкости;
• расплавы солей;
• воду;
• аммиак и т.п.

Одна часть трубы расположена в зоне отвода тепла, остальная - в зоне конденсации паров. В первой зоне образуются пары теплоносителя, во второй зоне они конденсируются. Конденсат возвращается в первую зону благодаря действию капиллярных сил фитиля. Большое количество центров парообразования способствует падению перегрева жидкости во время ее кипения. При этом существенно возрастает коэффициент теплоотдачи при испарении (от 5 до 10 раз). Показатель мощности теплопровода определяется капиллярным давлением.

Регенераторы

Регенератор имеет корпус, круглый или прямоугольный в сечении. Данный корпус изготавливается из листового металла или кирпича, в соответствии с температурой, поддерживаемой в процессе работы. Внутрь агрегата помещается тяжелый наполнитель:

• кирпич;
• шамот;
• рифленый металл и т.п.

Регенераторы, как правило, являются парными аппаратами, поэтому через них одновременно протекает холодный и горячий газ. Горячий газ передает тепло насадке, а холодный получает его. Рабочий цикл состоит из двух периодов:

• разогрев насадки;
• охлаждение насадки.

Насадка из кирпича может выкладываться в различном порядке:

• коридорный порядок (образует ряд прямых параллельных каналов);
• шахматный порядок (образует каналы сложной формы).

Регенераторы могут оснащаться металлическими насадками. Перспективный аппаратом считается регенератор, оснащенный падающим плотным слоем зернистого материала.

Смесительные теплообменные аппараты. Конденсаторы смешения. Барботер. Охладители

Теплообмен веществ (жидкостей, газов, зернистых материалов), при их непосредственном соприкосновении или смешении отличается максимальной степенью интенсивностью. Применение такой технологии диктуется необходимостью технологического процесса. Для смешения жидкостей применяется:

• емкостной аппарат, оснащенный мешалкой;
• инжектор (используются также для непрерывного смешения газов).

Нагревание жидкостей может осуществляться посредством конденсации в них пара. Пар вводится сквозь множественные отверстия в трубе, которая изогнута в форме окружности или спирали и находится в нижней секции аппарата. Устройство, обеспечивающее протекания данного технологического процесса, называется барботером.

Охлаждение жидкости до температуры близкой к 0 °C, может осуществляться посредством ввода льда, который способен поглотить при таянии до 335 кДж/кг тепла либо сжиженных нейтральных газов, характеризующихся невысокой температурой испарения. Иногда применяют холодильные смеси, которые поглощают тепло после растворения в воде.

Жидкость может подогреваться посредством контакта с горячим газом и охлаждаться, соответственно, посредством контакта с холодным. Такой процесс обеспечивается скрубберами (вертикальными аппаратами), где навстречу восходящему потоку газа стекает поток охлаждаемой или нагреваемой жидкости. Скруббер можно наполнять различными насадками с целью увеличения поверхности контакта. Насадки разбивают поток жидкости на маленькие струйки.

К группе смесительных теплообменников также относятся конденсаторы смешения, функция которых состоит в конденсации паров посредством их прямого контакта с водой. Конденсаторы смешения могут быть двух типов:

• прямоточные конденсаторы (пар и жидкость движутся в одном направлении);
• противоточные конденсаторы (пар и жидкость движутся в противоположных направлениях).

Для увеличения площади контакта пара и жидкости, поток жидкости разбивается на мелкие струйки.

Воздушный охладитель с ребристыми трубами

Многие химические установки генерируют большое количество вторичного тепла, которое не регенерируется в теплообменниках и не может быть повторно использовано в процессах. Данное тепло выводится в окружающую среду и поэтому существует необходимость минимизировать возможные последствия. Для этих целей применяют различные типы охладителей.

Конструкция охладителей с ребристыми трубами состоит из ряда ребристых труб, внутри которых течет охлаждаемая жидкость. Наличие ребер, т.е. ребристость конструкции, значительно увеличивает поверхность охладителя. Ребра охладителя обдувают вентиляторы.

Данный тип охладителей используется в случаях, когда отсутствует возможность забора воды для целей охлаждения: например на месте монтажа химических установок.

Оросительные охладители

Конструкция оросительного охладителя представляет собой ряды последовательно смонтированных змеевиков, внутри которых движется охлаждаемая жидкость. Змеевики постоянно орошаются водой, за счет чего и происходит орошение.

Башенные охладители

Принцип действия башенного охладителя заключается в том, что подогретая вода разбрызгивается в верхней части конструкции, после чего стекает вниз по набивке. В нижней части конструкции за счет естественного подсоса, мимо стекающей воды струится поток воздуха, который поглощает часть тепла воды. Плюс, часть воды испаряется в процессе стекания, результатом чего также является потеря тепла.

К недостаткам конструкции относятся ее гигантские габариты. Так, высота башенного охладителя может достигать 100 м. Несомненным плюсом такого охладителя является функционирование без вспомогательной энергии.

Башенные охладители, оснащенные вентиляторами, работают по аналогии. С той разницей, что воздух нагнетается посредством данного вентилятора. Следует отметить, что конструкция с вентилятором значительно компактнее.

Теплообменник с поверхностью теплообмена 71,40 м²

Техническое описание:

Поз.1: Теплообменник

Температурные данные	Сторона A		Сторона B
Среда	Воздух		Дымовые (топочные) газы
Рабочее давление	0.028 бар изб.		0.035 бар изб.
Среда		Газ		Газ
Расход на входе		17 548.72 кг/ч		34 396.29 кг/ч
Расход на выходе		17 548.72 кг/ч		34 396.29 кг/ч
Температура на входе/выходе		-40 / 100 °C		250 / 180 °C
Плотность		1.170 кг/м³		0.748 кг/м³
Удельная теплоемкость		1.005 кДж/кг.К		1.025 кДж/кг.К
Теплопроводность		0.026 Вт/м.К		0.040 Вт/м.К
Вязкость		0.019 мПа.с		0.026 мПа.с
Скрытая теплота

Работа теплообменника

Описание теплообменника

Габариты

L1:	2200 мм
L2:	1094 мм
L3:	1550 мм
LF:	1094 мм
Вес:	1547 кг
Вес с водой:	3366 кг

Фланцевый погружной теплообменник 660 кВт

Технические характеристики:

380 В, 50 Гц, 2x660 кВт, 126 рабочих и 13 резервных ТЭНа, всего 139 ТЭНа, соединение в треугольник 21 канал по 31,44 кВт. Защита - NEMA тип 4,7

Рабочая среда: Газ регенерации (объемные проценты):
N2 - 85%, водяной пар-1,7%, CO2-12.3%, O2-0.9%, Sox-100 ppm, H2S-150ppm, NH3-200ppm. Присутствуют механические примеси - соли аммония, продукты коррозии.

Перечень документов, поставляемых с оборудованием:

Паспорт на фланцевую погружную нагревательную секцию с инструкцией по монтажу, пуску, останову, транспортированию разгрузке, хранению, сведение о консервации;
Чертеж общего вида секции;

Теплообменные аппараты из меди подходят для химически чистых и не агрессивных сред, например, таких как пресная вода. Этот материал обладает высоким коэффициентом теплопередачи. Недостатком таких теплообменников является довольно высокая стоимость.

Оптимальным решением для очищенных водных сред является латунь. По сравнению с теплообменным оборудованием из меди она дешевле и обладает более высокими характеристиками коррозионной стойкости и прочности. А также стоит отметить, что некоторые латунные сплавы устойчивы к морской воде и высоким температурам. Недостатком материала считается низкие показатели электро- и теплопроводности.

Наиболее распространенным материальным решением в теплообменных аппаратах является сталь. Добавление в состав различных легирующих элементов позволяет улучшить ее механические, физико-химические свойства и расширить диапазон применения. В зависимости от добавленных легирующих элементов сталь может применяться в щелочных, кислотных средах с различными примесями и при высоких рабочих температурах.

Титан и его сплавы качественный материал, с высокими прочностными и теплопроводными характеристиками. Данный материал очень легкий и находит применение в широком диапазоне рабочих температур. Титан и материалы на его основе проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве сред кислотного или щелочного характера.

Неметаллические материалы применяют в тех случаях, когда требуется проведение теплообменных процессов в особо агрессивных и коррозионно активных средах. Они характеризуется высоким значением коэффициентом теплопроводности и стойкости к наиболее химически активным веществам, что делает их незаменимым материалом применяемым во многих аппаратах. Неметаллические материалы разделяют на два вида органические и неорганические. К органическим относят материалы на основе углерода, такие как графит и пластические массы. В качестве неорганических материалов применяют силикаты и керамику.

• теплоноситель при протекании которого возможно выделение осадка преимущественно направляется с той стороны, с которой легче осуществить очистку теплопередающей поверхности;
• теплоноситель оказывающий корродирующее воздействие направляют по трубам, это обусловлено меньшим требованием расхода коррозионностойкого материала;
• для уменьшения потерь тепла в окружающую среду теплоноситель с высокой температурой направляют по трубам;
• с целью обеспечения безопасности при использовании теплоносителя с высоким давлением принято пропускать его в трубах;
• при протекании теплообмена между теплоносителями находящихся в разных агрегатных состояниях (жидкость-пар, газ), принято направлять жидкость в трубы, а пар в межтрубное пространство.

Подробнее о расчете и подборе теплообменного оборудования

Минимальная/максимальная расчетная температура металла для деталей под давлением: -39 / +30 ºС.

Для деталей не под давлением используется материал согласно EN 1993-1-10.
Классификация зоны: не опасная.
Категория коррозионности: ISO 12944-2: C3.

Тип присоединения труб к трубной доске: обварка.

Электрические двигатели

Исполнение: не взрывобезопасное
Класс защиты: IP 55

Частотные преобразователи

Предусмотрены для 50% электрических двигателей.

Вентиляторы

Лопасти изготовлены из усиленного материала алюминий/пластик с ручной регулировкой шага.

Уровень шума

Не превышает 85 ± 2 дБА на расстоянии 1 м и на высоте 1,5 м от поверхности.

Внешняя рециркуляция

Применяется.

Жалюзи

Верхние, входные и рециркуляционные жалюзи с пневматическим приводом.

Змеевик водяного подогревателя

Размещается на отдельной раме. Каждый подогреватель размещен под трубным пучком.

Вибрационные выключатели

Каждый вентилятор укомплектован вибрационным выключателем.

Стальные конструкции

Включают опоры, стержни, водоотводящие камеры. Комплектный пол для рециркуляции не входит в объем поставки.

Сетчатая защита

Сетчатая защита вентиляторов, вращающихся деталей.

Запасные части

Запасные части для сборки и запуска

• Крепеж для стальных конструкций: 5%
• Крепеж для крышек плит коллекторов: 2%
• Крепеж для штуцеров воздушника и дренажа: 1 комплект каждого типа

Запасные части на 2 года эксплуатации (опционально)

• Ремни: 10% (минимум 1 комплект каждого типа)
• Подшипники: 10% (минимум 1 шт. каждого типа)
• Прокладки для воздушника, дренажа: 2 шт. каждого типа
• Крепеж для воздушника и дренажа: 2 комплекта каждого типа

Специальный инструмент

• Один датчик уровня для установки шага лопастей вентилятора
• Один комплект для ремонта оребрения

Техническая документация на русском языке (2 экз. + CD диск)

Для согласования рабочей документации:

• Чертеж общего вида, включая нагрузки
• Электрическая схема
• Спецификация оборудования
• План тестовых проверок

С оборудованием:

• Основная документация о тестовых проверках согласно стандартов, кодов и других требований
• Инструкция по эксплуатации
• Комплексное описание агрегата

Тестовая и инспекционная документация:

• План тестовых проверок на каждую позицию
• Внутрицеховая инспекция
• Гидростатический тест
• Сертификаты на материалы
• Паспорт сосуда давления
• Инспекция TUV

Отгрузочная информация:

• Трубный пучок полностью собран и протестирован
• Змеевик теплофикационной воды полностью собран
• Жалюзи полностью собраны
• Водоотводящие камеры отдельными частями
• Рециркуляционные жалюзи с плитами отдельными частями
• Вентиляторы в сборе
• Стальные конструкции отдельными частями
• Электрические двигатели, осевые вентиляторы, вибрационные выключатели и запасные части в деревянных ящиках
• Сборка на площадке с помощью крепежа (без сварки)

Объем поставки

Следующее оборудование и проектная документация включены в объем поставки:

• Температурные и механические расчеты
• Трубные пучки с заглушками для воздушника и дренажа
• Вентиляторы в сборе
• Электрические двигатели
• Частотные преобразователи (50/% всех вентиляторов)
• Вибрационные выключатели (100% всех вентиляторов)
• Водоотводящие камеры
• Опорные конструкции
• Платформы обслуживания для опор и лестниц
• Система внешней рециркуляции
• Термодатчики на стороне воздуха
• Жалюзи на рециркуляции/входе/выходе с пневмоприводом
• Петли для подъема
• Заземление
• Поверхностная обработка
• Запасные части для сборки и запуска
• Запасные части на 2 года эксплуатации
• Специальный инструмент
• Ответные фланцы, крепеж и прокладки

Следующее оборудование не включено в объем поставки:

• Услуги монтажа
• Предварительная сборка
• Анкерные болты
• Теплоизоляция и огнезащита
• Опоры для кабелей
• Защита от града и камней
• Платформа для доступа к электрическим двигателям
• Электрические подогреватели
• Шкаф управления для частотных преобразователей*
• Материалы для электрического монтажа*
• Соединения для датчиков давления и температуры*
• Входные и выходные коллекторы, соединительные трубопроводы и фитинги*

История кожухотрубных теплообменников

Впервые аппараты такого рода были разработаны в самом начале ХХ века, когда у тепловых станций возникла потребность в теплообменниках, обладающих большой поверхностью теплообмена, и способных работать при достаточно высоком давлении.

Сегодня кожухотрубные теплообменники используются в качестве подогревателей, конденсаторов и испарителей. Опыт многолетней эксплуатации, многочисленные конструкторские разработки привели к значительному усовершенствованию их конструкции.

Тогда же, в начале прошлого века, кожухотрубные теплообменники начали широко применять и в нефтяной промышленности. Тяжелые условия нефтепереработки требовали нагреватели и охладители нефтяной массы, конденсаторы и испарители для отдельных фракций сырой нефти и органических жидкостей.

Высокие температура и давление, при которых работала аппаратура, свойства самой нефти и ее фракций приводили к быстрому загрязнению отдельных частей аппаратов. В связи с этим теплообменники должны были обладать такими конструктивными особенностями, которые бы обеспечивали легкость их очистки и при необходимости - ремонта.

Варианты исполнения

Со временем кожухотрубные теплообменники получили широчайшее применение. Это определялось простотой и надежностью конструкции, а также большим числом возможных вариантов исполнения, подходящих для различных условий эксплуатации, в том числе:

вертикальное или горизонтальное исполнение теплообменника, кипение или конденсация, однофазные потоки теплоносителя на горячей или холодной стороне аппарата;

возможный рабочий диапазон давлений от вакуума до довольно высоких значений;

возможность изменения перепадов давления в широких пределах по обеим сторонам теплообменной поверхности как следствие большого числа вариантов конструкций.

возможность удовлетворения требований по термическим напряжениям, не повышая существенно стоимость аппарата;

размеры аппаратов - от маленьких до самых больших, до 6000 м²;

материалы могут быть подобраны в зависимости от требований к коррозии, давлению и температурному режиму, с учетом их соответствующей стоимости;

поверхности теплообмена могут быть использованы как внутри труб, так и снаружи;

возможность доступа к пучку труб для их ремонта или очистки.

Однако широкие области применения кожухотрубных теплообменников при подборе наиболее подходящих вариантов для каждого конкретного случая не должны исключать и поиск альтернативных вариантов.

Составные части

Составные части кожухотрубных теплообменников: пучки труб, укрепленные в трубных решетках, крышки, кожухи, патрубки, камеры и опоры. Трубное и межтрубное пространства в них чаще всего разделены перегородками.

Принципиальные схемы и типы

Принципиальные схемы наиболее широко распространенных типов кожухотрубных теплообменников представлены на рисунке:

Кожух теплообменника - это труба, сваренная из стальных листов. Различие кожухов состоит главным образом в способе соединения корпуса с трубной решеткой и с крышками. Толщину стенки кожуха выбирают в зависимости от рабочего давления среды и его диаметра, но в основном принимают не менее 4 мм. К кромкам кожуха посредством фланцев приваривают крышки или днища. Снаружи к кожуху крепятся опоры аппарата.

В кожухотрубных теплообменниках общее эффективное сечение межтрубного пространства обычно больше в 2-3 раза, чем соответствующее сечение труб. Поэтому независимо от разности температур теплоносителей и их фазового состояния общий коэффициент теплопередачи лимитируется поверхностью межтрубного пространства и остается невысоким. С целью его повышения устанавливают перегородки, что увеличивает скорость теплоносителя и повышает эффективность теплообмена.

Пучок труб закрепляется в трубных решетках различными методами: с помощью разбортовки, развальцовки, запайки, заварки или сальниковыми креплениями. Трубные решетки привариваются к кожуху (Тип 1 и 3), либо зажимаются болтами между фланцами крышки и кожуха (Тип 2 и 4), или же соединяются болтами лишь с фланцем (Тип 5 и 6). В качестве материала для решетки используется обычно листовая сталь, толщина которой должна быть не меньше 20 мм.

Данные теплообменники различаются по конструкции: жесткой (Тип 1 и 10), полужесткой (Тип 2, 3 и 7) и нежесткой (Тип 4, 5, 6, 8 и 9), по способу движения теплоносителя - многоходовые и одноходовые, прямоточные, поперечноточные и противоточные, и по способу расположения - вертикальные, горизонтальные и наклонные.

На рисунке Тип 1 представлен одноходовой теплообменник жесткой конструкции с прямыми трубками. Кожух жестко связан с трубками решетками, возможность компенсации тепловых удлинений отсутствует. Конструкция таких аппаратов проста, но их можно применять только при не очень большой температурной разности между пучком труб и корпусом (до 50°C). Кроме того, коэффициент теплопередачи в аппаратах такого типа низок, потому что скорость теплоносителя в межтрубном пространстве невысока.

В кожухотрубных теплообменниках сечение межтрубного пространства обычно в 2-3 раза больше, чем соответствующее сечение труб. Поэтому на общий коэффициент теплопередачи влияет не столько разность температур теплоносителей или их фазовое состояние, напротив, он лимитируется поверхностью межтрубного пространства и остается невысоким. С целью его повышения в межтрубном пространстве делают перегородки, что несколько увеличивает скорость теплоносителя и тем самым повышает эффективность теплообмена.

Перегородки, установленные в межтрубном пространстве, увеличивая скорость теплоносителя, повышают коэффициент теплоотдачи.

В парожидкостных теплообменниках обычно в межтрубном пространстве пропускают пар, а жидкость идет по трубам. При этом разность температур труб и стенки корпуса обычно очень велика, что требует установки различного вида компенсаторов. В этих случаях используют линзовые (Тип 3), сильфонные (Тип 7) сальниковые (Тип 8 и 9), компенсаторы.

Однокамерные теплообменники с W - или чаще U -образными трубами также эффективно устраняют тепловые напряжения в металле. Их целесообразно использовать при высоких давлениях теплоносителей, так как в аппаратах высокого давления крепление труб в решетках - операции дорогие и технологически сложные. Однако теплообменники с гнутыми трубами также не получили широкого распространения в связи с трудностью получения труб с различными радиусами изгиба, сложностью замены гнутых труб и проблемами, возникающими при их очистке.

Конструкция теплообменника, предусматривающая жесткое крепление одной трубной решетки и свободное перемещение второй, более совершенна. В этом случае устанавливается дополнительная внутренняя крышка, которая относится непосредственно к трубной системе (Тип 6). Незначительное удорожание аппарата, связанное с увеличением диаметра корпуса и изготовлением второго, дополнительного, днища, оправдывается надежностью в эксплуатации и простотой конструкции. Такие аппараты называют теплообменниками «с плавающей головкой».

Теплообменники поперечного тока (Тип 10) отличает повышенный коэффициент теплоотдачи, так как теплоноситель в межтрубном пространстве движется поперек пучка труб. В некоторых видах таких теплообменников при использовании в межтрубном пространстве газа, а в трубах - жидкости, коэффициент теплоотдачи дополнительно повышают, применяя трубы с поперечными ребрами.

Принцип действия кожухотрубных теплообменников:

Виды кожухотрубных теплообменников:

подогреватели водоводяные;
охладители воды и масел компрессоров и дизелей;
подогреватели пароводяные;
маслоохладители различных типов турбин, гидравлических прессов, насосных и компрессорных систем, силовых трансформаторов;
охладители и подогреватели воздуха;
охладители и подогреватели пищевых сред;
охладители и подогреватели, использующиеся в нефтехимии;
подогреватели воды в бассейнах;
испарители и конденсаторы холодильных установок.

Сфера и область применения

Кожухотрубные теплообменники применяются в промышленных морозильных установках, в нефтехимической, химической и пищевой отраслях, для тепловых насосов в системах водоочистки и канализации.

Кожухотрубные теплообменники находят применение в химической и тепловой промышленности для теплообмена между жидкостными, газо- и парообразными теплоносителями в термохимических процессах, и сегодня являются наиболее широко распространенными аппаратами.

Преимущества:

Надежность кожухотрубных теплообменников в эксплуатации:

Кожухотрубные теплообменные аппараты с легкостью выдерживают резкие изменения температуры и давления. Пучки труб не разрушаются при вибрации и гидравлических ударах.

Слабая загрезняемость аппаратов

Трубы этого типа теплообменников загрязняются мало и их можно довольно легко очистить кавитационно-ударным методом, химическим, или - для разборных аппаратов- механическим способами.

Длительный срок службы

Срок службы довольно длительный - до 30 лет.

Адаптируемость к различным средам

Кожухотрубные теплообменники, применяемые сегодня в промышленности, адаптированы к самым различным технологическим средам, в том числе к санитарной, морской и речной воде, нефтепродуктам, маслам, химически активным средам, и даже самые агрессивные среды практически не снижают надежность теплообменных аппаратов.

Кожухотрубные теплообменники появились в начале ХХ века в связи с потребностями тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью, таких, как конденсаторы и подогреватели воды, работающие при относительно высоком давлении. Кожухотрубные теплообменники применяются в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В настоящее время их конструкция в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной. В те же годы началось широкое промышленное применение кожухотрубных теплообменников в нефтяной промышленности. Для эксплуатации в тяжелых условиях потребовались нагреватели и охладители массы, испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и сопутствующих органических жидкостей. Теплообменникам часто приходилось работать с загрязненными жидкостями при высоких температурах и давлениях, и поэтому их необходимо было конструировать так, чтобы обеспечить легкость ремонта и очистки.

С годами кожухотрубные теплообменники стали наиболее широко применяемым типом аппаратов. Это обусловлено прежде всего надежностью конструкции, большим набором вариантов исполнения для различных условий эксплуатации, в частности:

однофазные потоки, кипение и конденсация по горячей и холодной сторонамтеплообменника с вертикальным или горизонтальным исполнением;

диапазон давления от вакуума до высоких значений;

в широких пределах изменяющиеся перепады давления по обеим сторонам вследствие большого разнообразия вариантов;

удовлетворение требований по термическим напряжениям без существенного повышения стоимости аппарата;

размеры от малых до предельно больших (5000 м 2);

возможность применения различных материалов в соответствии с требованиями к стоимости, коррозии, температурному режиму и давлению;

использование развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и снаружи, различных интенсификаторов и т.д;

возможность извлечения пучка труб для очистки и ремонта.

В кожухотрубчатом теплообменнике один из теплоносителей протекает по трубам, другой – по межтрубному пространству. Теплота от одного теплоносителя другому передается через поверхность стеной труб.

Кожухотрубчатые теплообменники бывают одноходовыми, здесь оба теплоносителя не меняя направления движутся по всему сечению (один по трубному, другой по межтрубному), и многоходовыми, в которых потоки с помощью дополнительных перегородок последовательно меняют направление, тем самым, увеличивая коэффициент теплоотдачи и скорость потока.

Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой.

Для увеличения скорости движения теплоносителей с целью интенсификации теплообмена нередко устанавливают перегородки, как в трубном, так и в межтрубном пространствах.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа. В зависимости от величины температурных удлинений трубок и корпуса применяют кожухотрубчатые теплообменники жесткой, полужесткой и нежесткой конструкции. Один из вариантов такого теплообменника представлен на рисунке 1.2.1.

Рис. 1.2 - Кожухотрубчатый теплообменник

Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров.

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной доской и крышками. Толщина стенки кожуха определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но принимается не менее 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата.

В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения трубок. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Устройство перегородок в межтрубном пространстве способствует увеличению скорости теплоносителя и повышению коэффициента теплопередачи.

Кожухотрубчатые теплообменники относятся к наиболее распространенным. Их применяют в промышленности и на транспорте в качестве нагревателей, конденсаторов, охладителей, для различных жидких и газообразных сред. Основными элементами кожухотрубчатого теплообменника являются: кожух (корпус), трубный пучок, камеры-крышки, патрубки, запорная и регулирующая арматура, контрольная аппаратура, опоры, каркас. Кожух аппарата сваривают в виде цилиндра из одного или нескольких, обычно стальных листов. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды в межтрубном пространстве и диаметром аппарата. Днища камер могут быть сферическими сварными, эллиптическими штампованными и реже - плоскими. Толщина днищ не должна быть меньше толщины корпуса. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы для соединения с крышками или днищами. В зависимости от расположения аппарата относительно пола помещения (вертикальное, горизонтальное) к корпусу должны быть приварены соответствующие опоры. Предпочтительнее вертикальное расположение корпуса и всего теплообменника, так как в этом случае уменьшается площадь, занимаемая аппаратом, и более удобно расположение его в рабочем помещении.

Трубный пучок теплообменника может быть собран из гладких стальных бесшовных, латунных или медных прямых или U- и W-образных труб диаметром от нескольких миллиметров до 57 мм и длиной от нескольких сантиметров до 6-9 м с диаметром корпуса до 1,4 м и более. Внедряются, особенно в холодильной технике и на транспорте, образцы кожухотрубчатых и секционных теплообменников с низкими накатными продольными, радиальными и спиральными ребрами. Высота продольного ребра не превышает 12-25 мм, а высота выступа катаных труб 1,5-3,0 мм при 600-800 ребрах на 1 м длины. Внешний диаметр труб с низкорадиальными (накатными) ребрами мало отличается от диаметра гладких труб, хотя поверхность теплообмена при этом возрастает в 1,5-2,5 раза. Форма такой поверхности теплообмена обеспечивает высокую тепловую эффективность аппарата при рабочих средах с различными теплофизическими свойствами.

В зависимости от конструкции пучка как гладкие, так и накатные трубы закрепляют в одной или двухтрубных решетках развальцовкой, разбортовкой, сваркой, спайкой или сальниковыми соединениями. Из всех перечисленных способов реже применяют более сложные и дорогостоящие сальниковые уплотнения, допускающие при тепловых удлинениях продольное перемещение труб.

Размещение труб в трубных решетках (рис. 2.2) может быть осуществлено несколькими способами: по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (шахматное), по сторонам и вершинам квадратов (коридорное), по концентрическим окружностям и по сторонам и вершинам шестиугольников со смещенной на угол β диагональю. Преимущественно трубы размещаются равномерно на всей площади решетки по сторонам и вершинам правильных шестиугольников. В аппаратах, предназначенных для работы на загрязненных жидкостях, часто принимают прямоугольное размещение труб для облегчения очистки межтрубного пространства.

Рис. 2.2 - Способы закрепления и размещения труб в трубных решетках: а - развальцовкой; б - развальцовкой с отбортовкой; в - развальцовкой в очках с канавками; г и д - приваркой; е - с помощью сальника; 1 - по сторонам и вершинам правильных шестиугольников (треугольников); 2 - по концентрическим окружностям; 3 - по сторонам и вершинам квадратов; 4 - по сторонам и вершинам шестиугольников со смещенной на угол β диагональю

В горизонтальных кожухотрубчатых теплообменниках-конденсаторах с целью уменьшения термического сопротивления на внешней поверхности труб, вызываемого пленкой конденсата, трубы рекомендуется размещать по сторонам и вершинам шестиугольника со смещенной на угол β диагональю, оставляя при этом в межтрубном пространстве свободные проходы для пара.

Некоторые варианты компоновки трубных пучков в корпусе приведены на (рис. 2.3). Если обе решетки пучка из прямых труб зажимаются между верхними и нижними фланцами корпуса и крышек, то такой аппарат будет жесткой конструкции (рис. 2.3, а, б). Теплообменники жесткой конструкции применяются при сравнительно небольшой разности температур между корпусом и трубами (примерно 25-30° С) и при условии изготовления корпуса и труб из материалов с близкими значениями их коэффициентов удлинения. При проектировании аппарата необходимо рассчитывать напряжения, возникающие вследствие тепловых удлинений труб в трубной решетке, особенно в местах соединения труб с решеткой. По этим напряжениям в каждом конкретном случае определяют пригодность или непригодность аппарата жесткой конструкции. Возможные варианты кожухотрубчатых теплообменников нежесткой конструкции показаны также на (рис. 2.3, в, г, д, е).

Рис. 2.3 - Схемы кожухотрубчатых теплообменников: а - с жестким креплением трубных решеток с сегментными перегородками; б - с жестким креплением трубных решеток с кольцевыми перегородками; в - с линзовым компенсатором на корпусе; г - с U-образными трубами; д - с двойными трубами (труба в трубе); е - с «плавающей» камерой закрытого типа; 1 - цилиндрический корпус; 2 - трубы; 3 - трубная решетка; 4 - верхняя и нижняя камеры; 5, 6, 9 - сегментная, кольцевая и продольная перегородки в межтрубном пространстве; 7 - линзовый компенсатор; 8 - перегородка в камере; 10 - внутренняя труба; 11 - наружная труба; 12 - «плавающая» камера

В кожухотрубчатом теплообменнике с линзовым компенсатором на корпусе (рис. 2.3, в) тепловые удлинения компенсируются осевым сжатием или растяжением этого компенсатора. Такие аппараты рекомендуется применять при избыточном давлении в межтрубном пространстве не выше 2,5·10 5 Па и при деформации компенсатора не более чем на 10-15 мм,

В теплообменниках с U-образными (рис. 2.3, г), а также с W-образными трубами оба конца труб закрепляют в одной (чаще в верхней) трубной решетке. Каждая из труб пучка может свободно удлиняться независимо от удлинения других труб и элементов аппарата. При этом в местах соединений труб с трубной решеткой и в соединении трубной решетки с корпусом не возникает никаких напряжений. Эти теплообменники пригодны для работы при высоких давлениях теплоносителей. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут быть признаны лучшими из-за трудности изготовления труб с разным радиусом изгиба, сложности замены и неудобства очистки гнутых труб.

Кроме того, в условиях эксплуатации при равномерном распределении теплоносителя на входе в трубы будет неодинаковая температура этого теплоносителя на выходе из них вследствие разных площадей поверхностей теплообмена этих труб.

В кожухотрубчатых теплообменниках с двойными трубами (рис. 2.3, д) каждый элемент состоит из двух труб: наружной - с закрытым нижним концом и внутренней - с открытым концом. Верхний конец внутренней трубы меньшего диаметра закрепляют развальцовкой или сваркой в верхней трубной решетке, а трубу большего диаметра - в нижней трубной решетке. При таких условиях монтажа каждый из элементов, состоящий из двух труб, может свободно удлиняться без возникновения тепловых напряжений. Нагреваемая среда движется по внутренней трубе, затем по кольцевому каналу между наружной и внутренней трубами. Тепловой поток от греющей к нагреваемой среде передается сквозь стенку внешней трубы. Кроме того, в процессе переноса теплоты участвует и поверхность внутренней трубы, потому что температура нагреваемой среды в кольцевом канале выше температуры той же среды во внутренней трубе.

В кожухотрубчатом теплообменнике с «плавающей» камерой закрытого типа (рис. 2.3, е) трубный пучок собирается из прямых труб, соединенных двумя трубными решетками. Верхнюю решетку зажимают между верхним фланцем корпуса и фланцем верхней камеры. Нижняя трубная решетка не соединяется с корпусом, она вместе с нижней камерой внутритрубного пространства свободно может перемещаться вдоль оси теплообменника. Эти теплообменники более совершенны, чем другие аппараты нежесткой конструкции. Некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра корпуса в зоне «плавающей» камеры и из-за необходимости изготовления дополнительной крышки оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Аппараты могут быть вертикального и горизонтального исполнения.

Другие типы теплообменников с компенсацией тепловых удлинений, как, например, с сильфонным компенсатором на верхнем патрубке, отводящим (подводящим) теплоноситель из внутритрубного пространства, с сальниковым уплотнением верхнего патрубка или трубной решетки и т. п. ввиду сложности изготовления, малой надежности в эксплуатации и низких допускаемых давлений теплоносителей в перспективе будут применяться только в исключительных случаях.

Трубное и межтрубное пространства теплообменников разобщены и образуют два контура для циркуляции двух теплоносителей. Но в случае необходимости во внутритрубный контур можно подавать не одну, а две и даже три нагреваемые среды, разделив при этом эти потоки перегородками, размещенными в крышках аппаратов.

Практически при конструировании таких аппаратов можно обосновать и обеспечить оптимальную скорость только одного теплоносителя, проходящего по внутритрубному контуру, изменяя при этом расположение труб в трубной решетке и число ходов по трубам. Многоходовые аппараты создают путем установки соответствующих перегородок в верхней и нижней камерах теплообменника.

Скорость потока в межтрубном пространстве определяется условиями размещения труб в трубной решетке. Обычно живое сечение для прохода теплоносителя в межтрубном пространстве в 2-3 раза больше живого сечения труб, поэтому при равных объемных расходах обеих сред скорость потока в межтрубном пространстве в 2-3 раза меньше, чем в трубах. В случае необходимости в межтрубном пространстве могут быть установлены сегментные или кольцевые перегородки, уменьшающие живое сечение и придающие жесткость трубному пучку. Естественно, при этом в межтрубном пространстве будет возрастать скорость потока, организуется продольно-поперечное омывание пучка труб, улучшатся условия теплообмена.

В водо-водяных или вообще жидкостно-жидкостных теплообменниках рабочую среду с меньшим расходом в единицу времени (или с большей вязкостью) целесообразно направлять во внутритрубный контур, хотя в некоторых случаях могут быть и отступления от этого принципа, например в аппаратах для охлаждения масла (рис. 2.3, б).

В парожидкостных теплообменниках , особенно при повышенных параметрах пара, наблюдается большая разность между температурами стенок труб и корпуса. Поэтому для таких случаев нагрева жидкости чаще всего используются аппараты нежесткой конструкции, за исключением конденсаторов пара, работающих под вакуумом. Пар обычно проходит в межтрубном пространстве сверху вниз, а жидкость - внутри труб. Конденсат удаляется из нижней части корпуса через конденсатоотводчик. Обязательным условием, обеспечивающим нормальную работу парожидкостного теплообменника, является отвод неконденсирующихся газов из верхней части межтрубного пространства и из нижнего объема над поверхностью конденсата. В противном случае будут ухудшаться условия теплообмена на внешней поверхности труб, резко уменьшится тепловая производительность аппарата.

В комплексных промышленных теплоэнергетических установках применяют конденсаторы, которые выполняют вспомогательную роль в данном процессе. Выбор типа и конструкции конденсатора зависит от давления, при котором протекает процесс фазового перехода, и от необходимости сохранения конденсата. В этой связи следует рассматривать поверхностные и смесительные конденсаторы.

Поверхностные кожухотрубчатые конденсаторы жесткой конструкции горизонтального типа компактны, удобны для размещения в сочетании с другим оборудованием, но в то же время они дороже смесительных. Расположение труб в решетке поверхностных конденсаторов осуществляется по варианту, показанному на рис. 2.2 (4) или рис. 2.2 (1). По ходу воды в трубах конденсаторы выполняются двух- и четырехходовыми. Пар конденсируется в межтрубном пространстве, в котором предусматривают свободные проходы для пара к нижним рядам труб. Такой способ конденсации пара обеспечивает чистоту конденсата, который может служить питательной средой для парогенераторов. В этих конденсаторах можно поддерживать давление от 5000 до 3000 Па.

Большое количество разнообразных кожухотрубчатых теплообменных аппаратов изготавливается серийно специализированными заводами, поэтому во многих случаях представляется возможным выбрать теплообменник, соответствующий расчетным характеристикам, по каталогу.