Кожухотрубный теплообменник: устройство, назначение и особенности прибора

Кожухотрубный теплообменник является разновидностью  теплотехнических устройств и выполняет функцию передачи тепла от теплоносителя к подогреваемому веществу. В зависимости от конкретного случая в роли теплоносителя может выступать пар или жидкость. На сегодняшний день кожухотрубная модель подогревателя получила наиболее широкое распространение.

Теплообменник — достаточно сложное устройство, применяемое в качестве конденсатора, нагревателя или испарителя

Сферы использования

Производство этих устройств началось ещё в начале ХХ века. Это было связано с тем, что тепловые станции нуждались в подогревателях с большой поверхностью, функционирующих при высоком давлении.

Кожухотрубные подогреватели применяются во многих отраслях, среди которых:

• нефтегазовая промышленность;
• химические производства;
• пищевая отрасль.

Практически каждое производство связано с выделением или поглощением тепла, поэтому теплообменные устройства являются востребованными в самых разных сферах человеческой деятельности. От их конструкции и свойств зависит производительность оборудования на предприятиях, а также функционирование бытовых кондиционеров и обогревателей, радиаторов охлаждения в автомобилях и т. д.

Обратите внимание! Подогреватели такого типа чаще всего используются для охлаждения рабочих жидкостей и нагрева хладагента для работы тепловых насосов.

Кожухотрубные теплообменники широко используются в качестве конденсаторов, а также испарителей. На сегодняшний день благодаря развитию промышленных технологий конструкция теплообменников стала более совершенной и продолжает модернизироваться.

Преимущества и недостатки кожухотрубных теплообменников

С конструктивной точки зрения, теплообменники такого типа похожи на первые модели, которые выпускались в начале ХХ века. Модернизация этих устройств затронула лишь отдельные элементы, однако, основа так и осталась неизменной. Современные материалы, которые используются для кожухотрубных нагревателей, позволяют улучшить их эксплуатационные свойства.

При производстве теплообменников используются современные материалы, в значительной мере улучшающие качества готовых устройств

Кожухотрубные теплообменники отличаются рядом положительных качеств, что позволяет им по сей день оставаться незаменимыми элементами различных производств:

• резистентность к гидроударам в системе;
• возможность работы с загрязнёнными средами;
• низкие показатели теплоотдачи;
• хорошая эффективность;
• износостойкость;
• ремонтопригодность;
• устойчивость к высокому давлению;
• резистентность к агрессивным химическим веществам;
• безопасность эксплуатации;
• надёжность и долговечность.

Подогреватели такого типа имеют и свои недостатки, среди которых:

• довольно большие габариты;
• высокая стоимость.

Устройство и принцип действия

Кожухотрубчатый теплообменник включает в себя несколько элементов конструкции. Рассмотрим основные из них:

• кожух (корпус);
• распределительная и направляющая камеры;
• внутренняя система трубок;
• трубные решётки;
• перегородки и уплотнения.

Данная модель устройства отличается наличием кожуха, который скрывает внутренние трубы, отсюда и название — «кожухотрубный»

К корпусу привариваются два патрубка. Один из них отвечает за подвод рабочей среды, а другой — за вывод. В торцы кожуха приваривают специальные фланцы.

Кроме этого, в состав такого подогревателя входят трубные решётки, между которыми привариваются трубы, оснащённые дистанционными решётками. Такая конструкция образует трубную систему рекуператора и позволяет обогревателю быть многоходовым.

В дно рекуператора вставляются два патрубка, которые так же, как и патрубки корпуса выполняют подводящую и выводящую функцию. Дно рекуператора оснащено фланцами. Фланцы рекуператора являются ответными фланцам корпуса. Трубная система такого устройства вставляется в корпус. Решётки фиксируются с помощью специальных уплотнительных элементов и болтов между фланцами рекуператора и корпуса. Это позволяет, в случае необходимости, беспрепятственно выполнить ремонт любого элемента кожухотрубного устройства.

Принцип действия подогревателя такого типа заключается в следующем: горячая и холодная среда циркулирует по двум различным каналам. Сам процесс передачи тепла осуществляется между стенками этих каналов.

Виды кожухотрубных теплообменников

Кожухотрубный подогреватель является довольно сложным, с конструктивной точки зрения, аппаратом и имеет несколько разновидностей, на которые стоит обратить внимание. Из-за особенностей конструкции (наличия рекуператора), кожухотрубные устройства относят к рекуперативному типу.

Кожухотрубные теплообменники относятся к рекуперативному типу подобных устройств

Кроме этого, в зависимости от направления движения рабочих сред, кожухотрубные подогреватели подразделяют на следующие виды:

• прямоточные;
• перекрёстноточные;
• противоточные.

Своё название кожухотрубная модель получила из-за того, что трубы, по которым циркулирует теплоноситель, размещаются внутри кожуха. Существует зависимость скорости движения рабочей среды от количества трубок, расположенных в кожухе. В свою очередь, чем выше скорость, тем выше показатель теплоотдачи устройства.

Рассмотрим основные материалы, из которых изготавливают такие обогреватели:

• легированная сталь;
• нержавеющая сталь;
• высокопрочная сталь.

Трубки таких устройств могут быть выполнены из следующих материалов:

• сталь;
• медь;
• латунь;
• титан.

Использование таких материалов связано с тем, что теплообменники, как правило, эксплуатируются в тяжёлых условиях и контактируют с агрессивными веществами, которые способны вызывать коррозию.

Теплообменники изготавливают из материалов, имеющих высокую сопротивляемость коррозии, например, титана или нержавеющей стали

Важно! Обычная сталь для кожухотрубного теплообменника не подходит, потому что имеет низкую устойчивость к коррозийным воздействиям.

Кожухотрубные модели подразделяются также на типы. На сегодняшний день существует 4 типа этих устройств:

• подогреватель, оснащённый температурным корпусным компенсатором;
• подогреватель со статичными (неподвижными) трубками;
• устройство с U-образными и W-образными трубками;
• устройство c плавающей головкой.

Кожухотрубные подогреватели могут располагаться в пространстве горизонтально, вертикально или под определённым углом.

Увеличение коэффициента теплообмена

Промышленность не стоит на месте — постоянно происходит модернизация теплообменных устройств. Улучшение технических характеристик достигается благодаря использованию следующих способов:

• создание турбулентных потоков;
• выполнение спиралевидных вставок, благодаря которым образуется продольное и поперечное обтекание трубок;
• производство профильных и витых труб;
• использование смесей, в которые входят жидкости и газы;
• создание вибрации поверхностей, которые отвечают за теплообмен;
• пульсирующая подача рабочей среды.

Вышеперечисленные методы позволяют увеличить коэффициент теплоотдачи. Распространено также использование нескольких методов одновременно. Такая комбинация способна значительно повысить эксплуатационные характеристики кожухотрубного подогревателя в 2–3 раза. Стоит также отметить, что некоторые методы не только увеличивают показатели теплоотдачи, но и могут выполнять другие полезные функции. Например, турбулентные потоки препятствуют образованию солевых отложений на внутренних стенках труб, что позволяет исключить сужение просвета трубок.

Постоянное усовершенствование конструкции теплообменника позволяет увеличить теплоотдачу и повысить эксплуатационные характеристики

Советы по выбору теплообменника

Программа расчёта кожухотрубного подогревателя нуждается в чёткой формулировке исходных данных. Хорошая работа рекуперативного устройства требует чётко сформулированной схемы. Существует несколько положений, которые необходимо учитывать при выборе кожухотрубного теплообменника. Эти положения являются очень важными для расчётов.

В первую очередь стоит отметить, что для жидких и газообразных теплоносителей существует своя скорость циркуляции по трубкам. Как уже было сказано выше, чем больше скорость, тем, соответственно, лучше теплоотдача. Для жидких сред скорость колеблется от 0,6 до 6 м/с. Для газообразных сред скорость может быть от 3 до 30 м/с. Однако от скорости зависит и количество затрачиваемой электроэнергии, поэтому в некоторых случаях скорость теплоносителя занижают, чтобы снизить расход электричества.

При выборе трубок стоит обратить внимание на материал, из которых они изготовлены, а также на их диаметр. Материал трубок подбирается в зависимости от рабочей среды, которая будет циркулировать по ним. Необходимо запомнить — чем агрессивнее среда, тем надёжнее должен быть материал трубок.

Важно! Если очистка системы будет производиться с использованием кислоты, то тогда рекомендуется выбирать трубки из нержавеющей стали. Нержавейка отличается высокими антикоррозийными свойствами, имеет отличную сопротивляемость к агрессивным реагентам и, кроме того, обладает низким коэффициентом теплопроводности.

Кожухотрубные теплообменники являются довольно громоздкими аппаратами, поэтому при их выборе стоит учитывать их размеры, чтобы в последующем не возникло сложностей с их транспортировкой и установкой.

Крупногабаритные устройства имеют значительный вес, что увеличивает расходы на транспортировку

Также необходимо учесть то, что после установочных работ перед рекуператором должно быть достаточно места, чтобы в случае необходимости провести оперативный ремонт устройства. Места должно быть столько, чтобы можно было извлечь трубную систему из корпуса. Кожухотрубный теплообменник должен иметь конструкцию, которая учитывает свободный доступ не только к основным элементам, но и к остальным запчастям. Особенно это касается приборов контроля.

Советы по эксплуатации кожухотрубного теплообменника

Теплообменники такого типа хоть и являются довольно неприхотливыми устройствами, однако, и они рано или поздно нуждаются в профилактических очистках или ремонте.

Ремонт теплообменника влечёт за собой некоторые последствия — чаще всего это уменьшение коэффициента теплоотдачи. Наиболее уязвимая часть кожухотрубного подогревателя — трубки. Как правило, именно они становятся причиной поломки. Зная об этой особенности теплообменных аппаратов, специалисты советуют приобретать их с запасом. Кроме этого, часто возникают проблемы, когда осуществляется регулирование этих устройств по конденсату. Любые изменения влекут за собой отклонения в площади теплообмена. Изменения в площади теплообмена, как правило, являются нелинейными.

Выполнить такое устройство своими руками довольно сложно, а в некоторых случаях — невозможно. Кожухотрубный теплообменник является очень сложным оборудованием, для производства которого требуется чёткое соблюдение технологического процесса, включающего в себя множество этапов.