Кожухотрубные теплообменники

Кожухотрубный теплообменник — это устройство, предназначенное для теплообмена между двумя потоками теплоносителей, один из которых проходит внутри трубок (трубный пучок), а второй — в межтрубном пространстве (кожухе). Эти теплообменники широко используются в химической, нефтехимической, нефтеперерабатывающей и энергетической промышленности для нагрева или охлаждения жидкостей и газов.

Назначение и область применения

Кожухотрубные теплообменники предназначены для нагрева, охлаждения, конденсации и испарения различных сред, таких как жидкость, газ, пар и их смеси. Эти устройства широко используются в нефтяной, нефтехимической, химической, газовой, а также других отраслях промышленности.

• Температурный диапазон работы кожухотрубных теплообменников составляет от -30°С до +350°С, что позволяет использовать их в разнообразных технологических процессах.
• Применяются в таких областях, как переработка нефти, охлаждение газа, конденсация паров и многие другие процессы.

Конструкция

Основные элементы:

• Кожух (корпус): Это внешняя труба, обычно сваренная из стальных листов. Кожух имеет фланцы для соединения с крышками и днищами, а также опоры для крепления устройства. Толщина стенки кожуха зависит от давления рабочей среды и диаметра устройства, но обычно она не менее 4 мм.
• Трубная решетка: Внутри кожуха размещаются трубки, через которые проходит один из потоков (например, теплоноситель). Трубки могут быть прямыми или изогнутыми, предпочтительно из стальных бесшовных труб диаметром от 12 до 57 мм.
• Межтрубное пространство: Это пространство между трубами, в котором протекает второй поток (например, охлаждающая жидкость). В таких теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства обычно в 2-3 раза больше сечения труб, что, при одинаковых расходах потоков, снижает коэффициент теплоотдачи.
• Перегородки: Размещение перегородок в межтрубном пространстве помогает увеличить скорость потока теплоносителя и улучшить эффективность теплообмена.
• Патрубки – входные и выходные отверстия для ввода и вывода горячей и холодной сред.

Сравнение разных типов конструкции

Тип теплообменника	Достоинства	Недостатки
Неподвижные трубные решетки	Простота конструкции, низкая цена	Ограниченные температурные режимы
Плавающая головка	Устойчивость к расширениям	Более высокая стоимость
U-образные трубки	Компактность, удобство обслуживания	Сложность изготовления

Классификация 

Теплообменники классифицируются по ряду признаков:

По расположению:

• Вертикальные — расположены вертикально.
• Горизонтальные — расположены горизонтально.

По числу ходов в трубном пространстве:

• Одноходовые
• Двуходовые
• Четырехходовые
• Шестиходовые

По компоновке:

• Одинарные
• Сдвоенные

По типам конструкции:

• С неподвижными трубными решетками (тип Н) — трубы закреплены жестко.
• С плавающей головкой (тип П) — позволяет компенсировать тепловые удлинения труб и упрощает обслуживание.
• С температурным компенсатором на кожухе (тип К) — позволяет компенсировать температурные деформации.
• С U-образными трубами (тип У) — применяется при большом перепаде температур между трубами и кожухом, а также для облегчения механической очистки трубного пучка.
• Классификация по стандарту TEMA:

Основные типы конструкций

Жесткая конструкция:

• Одноходовой теплообменник с прямыми трубками.
• Простая конструкция, но используется только при небольших разностях температур между трубами и кожухом (до 50°С). Коэффициент теплоотдачи невысокий из-за низкой скорости потока в межтрубном пространстве.

Полужесткая конструкция:

• Включает перегородки в межтрубном пространстве и компенсацию тепловых удлинений посредством свободного перемещения верхней трубной доски.
• Может быть оснащена линзовым компенсатором.

Нежесткая конструкция:

• В этих конструкциях используются плавающие головки, что позволяет компенсировать температурные деформации и упрощает обслуживание.
• Эти аппараты просты в эксплуатации, но требуют определенного ухода и чистки.

Сильфонный компенсатор:

• При больших тепловых деформациях применяются конструкции с сильфонным компенсатором.

Материалы

Материалы для изготовления теплообменников могут варьироваться в зависимости от специфики производства и условий эксплуатации:

• Углеродистая сталь (СтЗ): применяется для менее агрессивных сред.
• Низколегированная сталь (16ГС): используется для сред с повышенными требованиями к прочности и износостойкости.
• Нержавеющая сталь (12Х18Н10Т, 10X17Н13М2Т): применяется для агрессивных сред, с высокой коррозионной стойкостью.
• Титан (ВТ-1-0): используется для особо агрессивных сред, например, кислот.

Могут быть использованы и другие материалы по техническому заданию.

Применение типов конструкций (П и У)

• Тип П с плавающей головкой и тип У с U-образными трубами применяются в случаях значительных температурных перепадов между трубами и кожухом, а также в тех ситуациях, когда необходимо часто проводить механическую очистку трубного пучка. Эти конструкции позволяют лучше компенсировать тепловые деформации и упрощают обслуживание аппаратов.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Надежность и долговечность конструкции.
• Эффективность: Высокие коэффициенты теплообмена при правильной эксплуатации.
• Универсальность: Могут быть использованы для различных типов теплоносителей (жидкости, газы, пары).
• Гибкость в проектировании: Возможность выбора между различными конфигурациями и конструкциями для разных условий эксплуатации.

Недостатки:

• Сложность обслуживания: Очистка и замена труб может быть сложной, особенно в конструкциях с изогнутыми трубами (тип У).
• Габаритность: Теплообменники могут быть достаточно крупными по размеру.
• Высокая стоимость: Сложные конструкции и использование материалов повышенной прочности делают такие теплообменники более дорогими.

Чем лучше пластинчатых?

Кожухотрубные теплообменники более устойчивы к высоким температурам и давлениям, в то время как пластинчатые более компактны и имеют высокую степень теплопередачи.

Срок службы 

Срок службы зависит от условий эксплуатации, но обычно составляет около 15–20 лет при регулярном обслуживании.

Критерии выбора

При выборе кожухотрубного теплообменника необходимо учитывать следующие факторы:

• Тип теплоносителей: Жидкость или газ, с которым будет работать теплообменник (температура, вязкость, химическая агрессивность).
• Теплопередача: Требуемый коэффициент теплопередачи зависит от типа используемых веществ и их температуры.
• Производственная среда: Температурный и давление потоков, а также условия эксплуатации (влажность, загрязнение).
• Эффективность теплообмена: Для некоторых процессов требуются максимальная эффективность и минимальные потери энергии.
• Габариты и пространство: Ограниченность пространства на заводе или в процессе установки может повлиять на выбор.
• Сложность обслуживания и ремонта: Некоторые теплообменники могут требовать более простого обслуживания и ремонта.
• Цена: Зависит от выбранных материалов, конструкции и сложности производства.

Принцип работы

Принцип работы кожухотрубного теплообменника заключается в том, что два потока теплоносителей, находящихся при разных температурах, обмениваются теплом через стены трубок. Один поток протекает внутри трубок, а второй — вокруг них в межтрубном пространстве. Тепло передается от горячего потока к холодному через стенки труб.

1. Горячая жидкость или газ поступает в кожух или через трубки, в зависимости от конфигурации.
2. Процесс теплообмена происходит на стенках труб, где происходит передача тепла от одного потока к другому.
3. Охлажденный или нагретый поток выходит из устройства.

 
Принцип работы базируется на простом законе термодинамики: тепло всегда передается от горячего тела к холодному. Горячая жидкость (или газ) подается в теплообменник, где происходит передача тепла холодному потоку через стенки труб. Основное преимущество конструкции – это высокая эффективность теплообмена и возможность применения при больших давлениях и температурах.

Эксплуатация и ремонт

Эксплуатация:

• Регулярная проверка давления и температуры для предотвращения перегрева или перепадов давления.
• Важно следить за состоянием уплотнительных элементов, чтобы предотвратить утечку.
• Также следует регулярно чистить теплообменник от загрязнений, таких как накипь, песок или нефтяные отложения.

Ремонт:

• Ремонт обычно сводится к замене поврежденных труб или уплотнений, а также к чистке трубной решетки.
• Для предотвращения коррозии используются специальные покрытия и материалы, а также химическая обработка теплоносителей.

Технические характеристики

Основные технические характеристики кожухотрубных теплообменников:

• Теплообменная площадь: Обычно варьируется от нескольких квадратных метров до сотен квадратных метров.
• Производительность: Количество тепла, которое может передаваться через теплообменник в единицу времени, измеряется в кВт или МВт.
• Рабочее давление: Обычно до 100 бар, но могут быть и специальные высоко- или низкодавленные версии.
• Температурный диапазон: В зависимости от материала конструкции и типа теплоносителей может быть от -50°C до 400°C и выше.
• Типы труб: Могут быть гладкими или оребренными, диаметры труб от 10 до 200 мм.