Кожухотрубный теплообменник – тип теплообменника, состоящий из цилиндрической оболочки и трубок (тонкостенных труб), проходящих внутри нее. Поверхность теплообмена – это поверхность этих трубок, через которую тепло передается между жидкостями внутри тонкостенных трубок и вне трубок (внутри рубашки). Благодаря своей универсальности этот тип теплообменника наиболее распространен в промышленности.
Трубки (тонкостенные трубки) размещаются пучками внутри корпуса кожухотрубного теплообменника. Их концы крепятся к пластине-ситу, отделяющей внутреннюю часть кожуха от внутренней части головы. Жидкость, поступающая в теплообменник, протекает через входной патрубок к головке, где жидкость делится на стекающие потоки в отдельные трубы.
После прохождения трубки жидкость смешивается в выходной голове и выходит из теплообменника через выпускной порт. В кожухотрубных теплообменниках стенки труб образуют поверхность теплообмена, и в основном параметры труб определяют эффективность процесса. Правильно подбирая их проектировщик может влиять на динамику процесса теплопередачи.
Параметры конструкции
Количество и диаметр труб являются параметрами, тесно связанными друг с другом по критерию скорости потока жидкости в трубах. Скорость потока для газов должна составлять 8-30 м/с, а для жидкостей 2,5-3 м/с. Слишком низкая скорость потока неблагоприятна для процесса теплообмена и может привести к быстрому осаждению загрязнений на поверхности трубы.
Оптимальная скорость потока имеет решающее значение для развития турбулентного потока и получения максимально высоких коэффициентов теплоотдачи. Слишком высокая скорость приводит к чрезмерному падению давления и может привести к эрозии. Кроме того, оба параметра связаны с длиной труб и общей теплообменной поверхностью. Выбирая эти три параметра, можно получить поверхности теплопередачи в разных системах. По практическим соображениям эти показатели можно изменять в определенных пределах. По экономическим и логистическим причинам обычно используются стандартные наружные диаметры труб (¼, ⅜, ½, ⅝, ¾, 1 и 1½ дюйма).
Стандартные трубы отличаются более низкой ценой и более высокой доступностью. В нефтеперерабатывающей и химической промышленности обычно используются трубы диаметром ¾ или один дюйм. Это связано с необходимостью регулярной очистки (что на практике становится невозможным для трубок менее ¾ дюйма). Кроме того, промышленные теплообменники часто работают при очень высоком давлении. В таких случаях небольшие диаметры труб предпочтительны, поскольку толщина стенки увеличивается с увеличением диаметра трубы. Длина труб, используемая в промышленности, также стандартна – 8, 10, 12, 16 и 20 футов.
Увеличение длины труб увеличивает поверхность теплообмена в кожухотрубном теплообменнике, не влияя на динамику потока жидкости внутри труб. Однако на практике этот показатель оказывает существенное влияние на работу обменника. Более длинные трубы означают больший перепад давления и температуры (и результирующие термические напряжения — прямо пропорциональные разности температур и длине труб), большую восприимчивость к изгибу и вибрации (что может привести к необходимости установки дополнительных перегородок), худшие условия проверки и очистки, ограниченная доступность на рынке , усложнение транспортировки или необходимость замены поврежденной трубки.
Длина труб напрямую связана с длиной рубашки, что также приводит к ограничениям (размер и геометрия рубашки часто зависят от размера и формы доступной поверхности). Кроме того, более длинный теплообменник требует больше материала, что увеличивает его цену.
Відстань між трубами (зазвичай виражається як відношення відстані між центрами двох суміжних труб до зовнішнього діаметра труби) впливає на динаміку потоку рідини всередині оболонки. Це має вирішальне значення для всього процесу, оскільки турбулентний потік важче досягти на стороні оболонки, ніж на стороні труби. Велика відстань між трубками зменшує турбулентність потоку, що уповільнює весь процес.
Однако это облегчает обзор и очистку пространства между трубами. Типовое значение составляет 1,25 – 1,5. мы рекомендуем расстояние не менее 6 мм из-за необходимости очистки. Если соединение труб с трубной пластиной сварено, каждая труба требует дополнительных 6 мм для сварки.
Толщина стенки
Это напрямую зависит от давления жидкости и типа используемого материала. Толщина стены оказывает положительное влияние на механические свойства трубы (повышая ее прочность) и отрицательно влияет на интенсивность процесса теплообмена через стенку. Толщина стенки указана по шкале BWG (Birmingham Wire Gauge – Бирмингемская шкала, которая обычно используется для определения толщины проволоки). Обычно используются толщины 12 BWG (2,77 мм), 14 BWG (2,11 мм) и 16 BWG (1,65 мм).
Материалы
Тип используемого материала обычно зависит от жидкостей, их химических свойств и рабочих параметров кожухотрубного теплообменника. Поскольку эти свойства заранее определены, возможность изменения этого параметра очень ограничена. Определяя тип материала, изготовители обычно ссылаются на соответствующие спецификации. Примером спецификаций, определяющих соответствующие материалы, является, например, американский ASTM A213/SA 213 (Стандартная спецификация для бесшовных труб из ферритной и аустенитной легированной стали, котлов, пароперегревателей и теплообменников – Стандартная спецификация для бесшовных труб из ферритов и аусте , пароперегреватели и теплообменники) или европейский EN 10216-5:2004 (Бесшовные стальные трубы для работы под давлением – трубы из нержавеющей стали для работы при повышенном давлении).
Расположение трубок
Тип компоновки обычно определяется величиной углов между направлением протока жидкости вне трубок и линией, соединяющей трубы. Типы расположения 90° и 45° характеризуются меньшей интенсивностью теплоотдачи (по сравнению с типами 30° и 60°). Однако их легче осматривать и чистить.
Количество скоростей (скорость потока). Большее количество увеличивает поверхность теплообмена, не влияя на динамику потока жидкости внутри трубок (эффект идентичен удлинению труб). Однако добавление трубок усложняет реализацию турбулентного потока на стороне кожуха и усложняет механику кожухотрубного теплообменника, усложняя реализацию. Обычно используют одно- или двухскоростные (иногда четырехскоростные) теплообменники. Предполагается, что теплообменники с изогнутыми трубками имеют не менее двух проходов. Такие трубы могут расширяться под действием тепла, не вызывая напряжения во время эксплуатации. Их недостаток – ограниченные возможности очищения.
Кожух
Цилиндрический кожух вне трубок образует камеру, через которую протекает одна из участвующих в теплообмене жидкостей. С внутренней стороны теплообменника эта камера ограничена ситовыми пластинами (отделяют внутреннюю часть корпуса от головок) и стенками труб (образуют поверхность теплообмена). Внутри кожуха есть перегородки, увеличивающие турбулентность жидкости и поддерживающие пучки труб.
Важным фактором, влияющим на интенсивность теплоотдачи, является расположение разъемов. Обычно они расположены на противоположных сторонах корпуса, увеличивая расстояние, которое жидкость должна пройти, чтобы выйти из теплообменника. Чтобы ограничить потери тепла, отношение поверхности рубашки к поверхности трубы должно быть как можно меньше. Иногда (в зависимости от диапазона температур) возможна внешняя теплоизоляция. Однако это затрудняет осмотр и может привести к коррозии под изоляцией, которую трудно обнаружить.
Параметры конструкции кожуха в теплообменнике
Диаметр кожуха
Диаметр напрямую зависит от количества и расположения трубок. Если диаметр не превышает 24 дюйма (610 мм), обычно используются стандартные промышленные диаметры трубок . Если диаметр превышает 24 дюйма, необходима специальная конструкция кожуха, что увеличивает стоимость и время изготовления. В зависимости от типа используемого соединения (например, сварное) это также повышает восприимчивость к коррозии. Максимальный диаметр корпуса обычно зависит от конструкции теплообменника. Для теплообменников со съемным пучком труб максимальный диаметр является результатом необходимости удаления пучка труб (наличие соответствующего крана, места и т.п.) и обычно составляет 55-59 дюймов (1400-1500 мм). Для теплообменников с пучками труб, интегрированных в корпус, ограничительными факторами обычно есть возможности производителя и ограничения, связанные с потребностью в транспортировке. Для этого типа теплообменников максимальный диаметр может быть до 2500 мм.
Длина кожуха
Длина кожуха тесно связана с длиной трубок. Дополнительным фактором, ограничивающим длину корпуса, может быть наличие места для теплообменника. В проектных расчетах используется параметр, называемый переменной стройностью. Это отношение длины кожуха к ее диаметру. Как и диаметр кожуха, максимальная длина труб зависит от типа конструкции. Для кожухотрубных теплообменников со съемными пучками труб максимальная длина составляет до 6 м, а для теплообменников с встроенными пучками труб – до 12 м.
Толщина стенки
Толщина стенки зависит от рабочего давления и диаметра кожуха – чем больше диаметр рубашки, тем больше толщина стенки. Для стандартных диаметров (до 24 дюймов) используются стандартные коммерческие толщины труб. Сверх этого размера толщина зависит от конструкции. Кроме того, на толщину стенки влияют другие элементы, например наличие патрубков, установленных на кожухе (ослабляющих конструкцию), напряжения изгиба (в результате установленных опор), наличие неблагоприятных внешних факторов (таких как коррозионная атмосфера, снег). нагрузки, сильные дожди) или необходимость установки необходимых крюков для транспортировки кожухотрубного теплообменника.
Тип кожуха
тип Е (односкоростной). Это самый простой кожух. Он подходит, когда условия процесса не требуют использования более сложных конструкций (например, компенсации термического напряжения). Дополнительным преимуществом является возможность использования такого типа кожуха при испарении или конденсации жидкостей;
тип F (двухскоростной с продольной перегородкой). Он обеспечивает лучший теплообмен и компенсацию температурных напряжений (в случае изогнутых труб). Его недостатком являются потери тепла в результате передачи тепла через перегородку и негерметичность самой перегородки. Эта конструкция, в силу большей сложности, стоит дороже;
тип G (разделенный поток) и тип H (двойной поток). Они подходят для теплообменников, установленных горизонтально. Их преимуществом является меньший риск вибрации и низкий перепад давления. Их недостатком является теплообмен по перегородке, ограничена возможность установки выдвижного трубного пучка и неравномерный температурный профиль. Тип H (по сравнению с типом G) характеризуется предпочтительным распределением потока и меньшим перепадом давления. Однако для этого требуется больше соединений;
тип J (дивергентный поток). Он характеризуется очень низким перепадом давления и низкой скоростью жидкости при протекании через соединение. Однако он требует установки большего количества разъемов. Его недостатком также неравномерный температурный профиль;
тип К (ребойлер). Кожух обладает большой камерой, что обеспечивает хорошую циркуляцию на низких скоростях. Это улучшает качество пара (снижает содержание воды в паре). Однако это повышает риск выпадения загрязнителей;
тип Х (перекрестный поток). Преимуществом этого типа сорочки является низкий перепад давления и отсутствие обратного потока при перепаде температуры. Недостатками являются плохое распределение потока жидкости (что может привести к необходимости установки дополнительных элементов) и ограничена возможность удаления неконденсированных веществ. Кожух такого типа используется в конденсаторах или охладителях.
Компания «ЗИКО» предлагает Вашему вниманию кожухотрубные теплообменники производства компании Spomasz Bełżyce S.A.