Для чего служит линзовый компенсатор в кожухотрубных теплообменниках

КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С ЛИНЗОВЫМ КОМПЕНСАТОРОМ

Для уменьшения температурных деформаций, обусловленных большой разностью температур сред, значительной длиной трубок, а также различием материала трубок и кожуха, используют кожухотрубный теплообменник с линзовым компенсатором (рис. 2), который имеет достаточно простую конструкцию. На корпусе такого аппарата находится линзовый компенсатор 1, подвергающийся упругой деформации, что допускает некоторое перемещение труб 3 относительно кожуха 2.

Принцип работы теплообменника с линзовым компенсатором аналогичен принципу работы предыдущего аппарата.

КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С ПЛАВАЮЩЕЙ ГОЛОВКОЙ

При необходимости обеспечения больших перемещений трубок и кожуха относительно друг друга используется теплообменник с плавающей головкой (рис. 3). Нижняя трубная решетка 1 является подвижной, что позволяет всему пучку трубок 3 свободно перемещаться независимо от корпуса аппарата. Этим предотвращаются опасная температурная деформация трубок и нарушение плотности их соединения с трубными решетками. Однако данный аппарат имеет более усложненную и утяжеленную конструкцию, чем предыдущий теплообменник.

КОЖУХОТРУБНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С U–ОБРАЗНЫМИ ТРУБАМИ

Кожухотрубный теплообменник с U – образными трубами (рис. 4) состоит из кожуха 1, в котором расположены U – образные трубы 2, закрепленные в трубной решетке 3.

В таком теплообменнике сами трубы выполняют функцию компенсирующих устройств. При этом упрощается и облегчается конструкция аппарата, имеющего лишь одну неподвижную трубную решетку. К недостаткам следует отнести трудность чистки внутренней поверхности трубок. Однако их наружная поверхность может легко очищаться при выемке всей трубчатки из корпуса аппарата.

Теплообменники такой конструкции являются двух- или многоходовыми аппаратами

ДВУХТРУБЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Двухтрубчатый теплообменник (рис. 5) является одним из наиболее простых теплообменных аппаратов. Его еще называют теплообменником типа «труба в трубе». Он состоит из двух труб разного диаметра: наружной 1 и внутренней 2, установленных одна в другой и образующих два канала для прохода сред.

Один теплоноситель движется по внутренней трубе, другой – по кольцевому зазору между внутренней и наружной трубами. Внутренние трубы соединяются калачами 3, а наружные – патрубками 4.

При необходимости получения большей поверхности теплопередачи возможно последовательное, параллельное и комбинированное соединение секций теплообменника с помощью коллекторов.

СПИРАЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Спиральный теплообменник (рис. 6) состоит из двух длинных свернутых по спирали металлических листов 1, закрытых с торцевых сторон съемными крышками 2. Внутренние концы листов приварены к глухой перегородке, а наружные концы сварены друг с другом. Таким образом, в аппарате образуются два независимых друг от друга соседних канала шириной от 2 до 8 мм, по которым, обычно противотоком, движутся теплообменивающиеся среды. Для подвода и отвода теплоносителей имеются специальные штуцеры 3 и 4.

ПЛАСТИНЧАТЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Пластинчатый теплообменник (рис. 7) состоит из набора гофрированных пластин 3 с приклеенными к ним по периметру эластичными прокладками 5. Пластины подвешиваются на направляющих балках 2 между неподвижной плитой 6 и стойкой 1 и прижимаются друг к другу подвижной плитой 7 с помощью болтов 4. В каждой пластине и плитах имеются отверстия, образующие сплошные каналы: два для подвода и отвода одного теплоносителя, два – для другого.

Среда I, поступая через патрубок в плите, направляется в каналы между чередующимися пластинами, перемещаясь снизу вверх, например, по нечетным каналам. Среда I удаляется из аппарата через выходное отверстие. Среда II движется по чередующимся четным каналам сверху вниз и отводится через свое выходное отверстие.

Рельефная поверхность пластин дает возможность создания большой удельной поверхности теплопередачи. Теплопередающая поверхность легко изменяется путем установки соответствующего количества пластин.

Прокладка ограничивает канал для движения жидкостей между пластинами. Поэтому часто возникает трудность выбора эластичных химически стойких материалов для изготовления подобных прокладок.

ЗМЕЕВИКОВЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

В змеевиковом теплообменнике (рис. 8) капельная жидкость, пар или газ движутся по спиральному змеевику 1, выполненному из труб диаметром 15 – 75 мм, который установлен в цилиндрическом кожухе аппарата 2. Змеевик погружен в жидкость, которая омывает его снаружи.

В некоторых конструкциях в один кожух ставят несколько змеевиков с общим распределительным и сборным коллектором.

Вследствие большого объема корпуса, в котором находится змеевик, скорость жидкости в корпусе незначительна, что обусловливает низкое значение коэффициента теплоотдачи снаружи змеевика. Для увеличения скорости жидкости в корпусе (увеличения коэффициента теплоотдачи) устанавливают внутренний стакан или мешалку 3.

РУБАШЕЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Рубашечный теплообменник (рис. 9) состоит из цилиндрического кожуха 1, снабженного двойными стенками, или рубашкой 2. Внутри протекает одна среда I, в кольцевом канале – другая II.

Небольшая скорость среды внутри аппарата обусловлена самой конструкцией теплообменника, поэтому коэффициент теплопередачи будет определяться именно этим малым коэффициентом теплоотдачи. Рубашечный теплообменник имеет небольшую поверхность нагрева на единицу объема аппарата. Однако он удобен для осмотра и наблюдения за средой внутри сосуда, поэтому он может применяться как реакционный аппарат или кристаллизатор.

ОРОСИТЕЛЬНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК

Оросительный теплообменник (холодильник) применяется только при охлаждении водой.

Оросительный теплообменник (рис. 10) состоит из размещенных друг над другом труб 1, соединенных последовательно калачами 2. По этим трубам движется охлаждаемая среда. Внешняя поверхность труб орошается водой, которая подается на верхнюю трубу и свободно стекает на нижележащие трубы. Отработанная вода стекает в поддон 3, установленный под трубами.

Для более равномерного распределения вода подается через желоб с зубчатыми краями.

Относительно малый расход воды – важное достоинство оросительного холодильника. Отсутствие кожуха упрощает конструкцию аппарата и уменьшает расход металла. Однако такой холодильник в работе сильно парит, что затрудняет его обслуживание.

ВОЗДУШНЫЙ ХОЛОДИЛЬНИК

Воздушный холодильник (рис. 11) состоит из теплообменника 1, по трубам которого движется охлаждаемая среда, и осевого вентилятора 3, нагнетающего окружающий воздух в межтрубное пространство теплообменника с большой скоростью (до 15 м/с).

Для увеличения поверхности теплоотдачи со стороны воздуха наружная поверхность труб теплообменника оребряется. В целях предварительного охлаждения окружающего воздуха он иногда увлажняется водой с помощью распределителя 2, установленного над вентилятором.

БОЙЛЕР

Бойлер – это аппарат, предназначенный для нагрева жидкости острым паром. Он представляет собой бак с опущенной в жидкость трубой 1, подводящей пар. Пар подается непосредственно в нагреваемую жидкость, конденсируется и отдает жидкости свое тепло. Следует заметить, что конденсат остается в жидкости, смешиваясь с ней.

Теплообмен в подобном аппарате происходит весьма интенсивно. Но при работе наблюдается сильный шум, толчки и вибрация, вызванные резким уменьшением объема пара при конденсации. Для уменьшения влияния вышеперечисленных недостатков применяется разделение пара на большое число мелких струй, например, подачей пара через небольшие отверстия в кольцевой трубе 2, или проход пара через специальное сопло 3, в котором происходит захват жидкости и ее выброс через смешивающий диффузор 4.

Источник

Кожухотрубчатый теплообменник: чертеж, расчет

Устройство кожухотрубного теплообменника

Кожухотрубный теплообменник состоит из:

распределительной камеры,с патрубками входа и выхода среды;

кожух(корпус) теплообменника с патрубками входа и выхода среды;

Конструкция кожухотрубчатого теплообменника:

Теплообменник дополнительно оснащается опорами, позволяющими расположить его горизонтально, и монтажными креплениями.

Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника простой. Агрегат разделяет носители, внутри устройства не происходит смешивание продуктов. Тепло передается по трубкам, которые находятся между теплоносителями. Один из них помещен внутри труб, другой подается в межтрубный участок под давлением. Энергоносители могут различаться по своему агрегатному состоянию – газообразному, парообразному или жидкостному.

Виды и типы кожухотрубных теплообменников

Диаметр теплообменников может быть в пределах 159-3000 мм, длиной-от 0,1 до десятков метров. Максимальный уровень давления – 160 кг/см2. Существуют следующие типы установок:

Исходя из направления передвижения, агрегаты делятся на виды:

Аппараты бывают одноходовые и многоходовые. В первом варианте наполнитель перемещается по короткой траектории, пример – водонагреватель ВВП, применяемый в отопительных системах. Он подходит для зон, где не принципиальна величина теплообмена (разница температур окружающей среды и теплоносителя минимальна). Второй вид оснащен поперечными или продольными перегородками, обеспечивающими перенаправление потоков носителя. Многоходовые устройства используются в местах, где важна высокая скорость теплообмена.

Функциональные возможности

Кожухотрубный теплообменник обеспечивает:

Устройство может выполнять функции подогревателя, испарителя, конденсатора. Преимущества:

У этого агрегата, изготовленного полностью из металла, один основной недостаток – значительная масса. Технические параметры обуславливают востребованность трубчатых теплообменных аппаратов в нефтехимии и добывающих отраслях. А использование устройства в разнообразных и сложных эксплуатационных условиях потребовало создания целого перечня модификаций, приспособленных к решению определенного круга задач.

Принцип работы

Устройство имеет довольно простой принцип действия. Кожухотрубный теплообменник разделяет носители. Внутри конструкции перемешивания продуктов не происходит. Передача тепла осуществляется по стенкам трубчатых элементов, которые разделяют теплоносители. Один носитель находится внутри труб, а другой подаётся под давлением в межтрубное пространство. Агрегатные состояния обоих энергоносителей могут отличаться. Это может быть газ, пар или жидкость.

Принцип работы кожухотрубчатого теплообменника заключается в штатных процессах передачи энергии между жидкостями и различными газами. Для повышения коэффициента переноса тепловой энергии применяются довольно большие скорости перемещения продуктов внутри конструкции. Для пара или газа генерируют от 8 до 25 м/с. Для жидких теплоносителей минимальная скорость составляет 1,5 м в секунду.

Тепло проходит через стенки данного агрегата

Конструкция кожухотрубчатого аппарата

Основное достоинство кожухотрубного обменника тепла и главная причина его популярности заключается в высокой надёжности конструкции. В неё входят распределительные камеры, которые оснащаются трубками. Также предусматривается цилиндрический кожух, пучок труб и определённое количество решёток. Вся конструкция дополняется крышками, которые находятся с торцов. В комплект входят опоры, которые позволяют размещать устройство в горизонтальной плоскости. Также существует крепление для монтажа аппарата в любой точке пространства.

Для увеличения обмена тепла между теплоносителем используются трубы, которые покрыты специальными рёбрами. Если задача состоит в снижение теплоотдачи, то корпус покрывается каким-либо теплоизолирующим слоем. Так можно значительно увеличить аккумулирующие свойства изделия. Используются специальные конструкции, в которых одна труба находится во второй.

Для изготовления кожуха применяется толстолистовая сталь (от 4 мм). Чтобы произвести решётки, чаще всего берётся такой же материал, но его толщина гораздо больше (от 2 см). Основной элемент — пучок из труб, изготовленных из материала, который имеет высокую теплопроводность. Этот пучок закрепляется с одной или двух сторон на трубных решётках.

Преимущества и недостатки

У этих устройств есть несколько преимуществ, что обеспечивает достаточную конкурентоспособность на рынке теплообменных систем. Основные преимущества оборудования:

У данного теплообменника имеются как плюсы, так и минусы

.Несмотря на все преимущества, у этого устройства присутствуют и недостатки. Их следует учитывать перед приобретением. В зависимости от целей использования, возможно, могут потребоваться другие аналогичные системы. Недостатки аппарата:

Несмотря на все свои недостатки, кожухотрубные устройства заняли свою нишу на рынке теплообменников. Они остаются популярными, и их используют во многих отраслях промышленности.

Область применения

Кожухотрубные изделия используются в составной части инженерных сетей ЖКХ. Также их применяют в теплопунктах для обеспечения горячей водой жилых домов. У индивидуальных тепловых пунктов есть определённые преимущества перед центральным тепловым и водообеспечением: они гораздо эффективнее обеспечивают теплом здания и другие объекты, чем централизованная теплосеть.

Также тепловые обменники этого типа используются в нефтедобывающей, химической и газовой промышленностях. Их применяют в сфере теплоэнергетики, где теплоносители имеют высокие показатели передачи температуры. И это ещё далеко не все отрасли, где применяется подобное оборудование. Его можно встретить в испарителях ребойлера или же в конденсаторах-охладителях воздушного теплообмена, ректификационных колоннах. Оно нашло применение в пивном производстве и пищевой отрасли.

Принципы маркировки теплообменных аппаратов

В настоящее время условные обозначения кожухотрубчатых теплообменников согласуют с международным стандартом ТЕМА в котором отражены основные принципы маркировки этого вида оборудования.

Обозначения теплообменников стандарта TEMA

Типы передних неподвижных головок по системе обозначений ТЕМА:

Типы кожухов по системе обозначений ТЕМА:

Типы задних головок по системе обозначений ТЕМА:

Применение: нагрев жидких сред при низком давлении пара в корпусе; охлаждение газа или нефти в корпусном пространстве.

Применение: нередко применяется на нефтеперерабатывающих предприятиях при повышенном давлении в корпусном пространстве.

Описание: Съемный трубный пучок, наружное крепление решетки, трубная решетка может быть изготовлена из кованой стали, чтобы удовлетворить требованиям по расчетному давлению на корпус возможен в разном материальном исполнении, максимально допустимое давление в трубках — до 3000 psi, корпус полностью герметичен.

Применение: при использовании особо опасных газов, при повышенном давлении в трубной части, где неисправности прокладок должны быть выявлены максимально быстро.

Описание: фиксированная трубная решетка с несъемным трубным пучком, приварена непосредственно к внутренней поверхности корпуса, конструкция один или два хода.

Применение: Химическая промышленность; рабочие среды – воздух (при повышенном давлении), азот (газ в трубах, фреон в корпусе).

Описание: трубки U-типа; съемный или несъемный трубный пучок; многоходовая конструкция; широкий диапазон рабочего давления и по корпусу, и по трубкам.

Применение: Химическая промышленность; подогреватели жидкостей; различные виды испарителей.

Описание: Съемный трубный пучок; конструкция в один или два прохода; двойное уплотнение плавающей трубной решетки с «O-образными» кольцами и резьбовыми фиксаторами с контрольными отверстиями для обнаружения возможных утечек, корпус размером от 6 до 42; широкий диапазон рабочих давлений.

Применение: промышленные и бытовые охладители.

Расчет кожухотрубчатого теплообменника

Расчет кожухотрубного теплообменника подразумевает проведение ряда отдельных расчетов, имеющих целью определить необходимую площадь поверхности теплообмена – значит определить необходимую поверхность теплообменника и подобрать теплообменник в соответствии с ГОСТом.

Для определения требуемой площади поверхности теплопередачи необходимо выполнить следующие виды расчетов:

Более подробную информацию, касающуюся методики проведения указанных расчетов, можно найти на соответствующих сайтах в интернете или в специальной литературе.

Разновидности конструкций кожухотрубных теплообменников

В зависимости от запланированной области применения, выбирают модели с жестким, полужестким, нежестким кожухом, вертикального или горизонтального расположения, одно- или многоходовые. Конфигурация аппарата, его длина, число трубок обуславливают:

Металлы для изготовления аппаратов выбираются, в зависимости от характеристик рабочих сред, с которыми они будут контактировать. При конструировании новых модификаций разработчики старались устранить основной недостаток этого агрегата – физическое расширение или сужение стальных элементов при транспортировке холодных и горячих сред. Серийно выпускают кожухотрубчатые теплообменники описанных ниже видов.

С температурными компенсаторами на корпусе

Эта конструкция характерна для теплообменников, предназначенных для работы при невысоких давлениях и высоких температурах. Температурные линейные деформации кожуха уравновешиваются с помощью компенсаторов – сильфоновых, сальниковых, линзовых.

Система с плавающей головкой

В конструкции такого агрегата имеется плавающая головка, жестко не связанная с кожухом. Служит для соединения трубок. При температурном воздействии среды изменяется длина трубок, вызывая свободное перемещение головки внутри корпуса. Такая конструкция обеспечивает отсутствие деформаций кожуха и равномерное распределение напряжений. Она применяется в технологических процессах, не предусматривающих сильного загрязнения трубок, или при возможности их простой очистки.

Для обеспечения эффективной работы всех кожухотрубных теплообменников, особенно функционирующих в контакте с загрязненными средами, необходимо выполнение профилактических мероприятий. Они заключаются в аккуратной очистке внутренней поверхности трубок с исключением вероятности их повреждения и в своевременном устранении протечек.

Чертеж теплообменника с плавающей головкой

Чертеж теплообменника с плавающей головкой согласно типоразмерному ряду ТУ.

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.

Полезные советы для выбора теплообменника

Программа расчета кожухотрубчатого теплообменника требует четко сформулированных исходных данных. Чтобы работа рекуператора была безупречной, а остановки на ремонт редкими, нужна верно заданная схема.

Есть несколько особенностей, которые очень важны для расчета. Это:

Рис. 5 Конструкция теплообменника в стесненной компоновке

Изначально неверный расчет рекуператора и выбор неподходящей схемы — главные причины, из-за которых происходит ремонт теплообменного аппарата. Программа по расчету теплообменных аппаратов существенно ускорит процесс расчета, и снизит процент ошибки до нуля. Простой интерфейс программы будет понятен даже начинающему расчетчику.

Источник