Кожухотрубный теплообменник – это класс конструкций теплообменников . [1] [2] Это наиболее распространенный тип теплообменника на нефтеперерабатывающих заводах и других крупных химических процессах, который подходит для применений с высоким давлением. Как следует из названия, этот тип теплообменника состоит из корпуса (большого сосуда под давлением ) с пучком трубок внутри него. Одна жидкость протекает по трубкам, а другая жидкость течет по трубкам (через оболочку) для передачи тепла между двумя жидкостями. Совокупность трубок называется трубным пучком и может состоять из трубок нескольких типов: гладких, продольно-оребренных и т. д.
Через теплообменник протекают две жидкости с разными начальными температурами. Один течет по трубкам (сторона трубки), а другой течет вне трубок, но внутри оболочки (сторона оболочки). Тепло передается от одной жидкости к другой через стенки трубы либо от стороны трубы к стороне корпуса, либо наоборот. Жидкости могут быть либо жидкостями , либо газами как со стороны корпуса, так и со стороны трубки. Для эффективной передачи тепла необходимо использовать большую площадь теплопередачи , что приводит к использованию большого количества трубок. Таким образом, можно использовать отходящее тепло . Это эффективный способ экономии энергии.
Теплообменники, имеющие только одну фазу (жидкость или газ) на каждой стороне, можно назвать однофазными или однофазными теплообменниками. Двухфазные теплообменники могут использоваться для нагрева жидкости и превращения ее в газ (пар), иногда называемые котлами , или для охлаждения паров и их конденсации в жидкость (называемые конденсаторами ), при этом фазовый переход обычно происходит на сторона оболочки. Котлы в локомотивах с паровыми двигателями обычно представляют собой большие кожухотрубные теплообменники цилиндрической формы. На крупных электростанциях с паровыми турбинами кожухотрубные поверхностные конденсаторы используются для конденсации выхлопного пара, выходящего из турбины, в водный конденсат , который возвращается обратно для превращения в пар в парогенераторе.
Они также используются в чиллерах с жидкостным охлаждением для передачи тепла между хладагентом и водой как в испарителе , так и в конденсаторе , а в чиллерах с воздушным охлаждением - только в испарителе.
Вариантов конструкции кожуха и трубки может быть множество. Обычно концы каждой трубки соединяются с камерами (иногда называемыми водяными камерами ) через отверстия в трубных решетках. Трубки могут быть прямыми или изогнутыми в форме буквы U, называемыми U-образными трубками.
На атомных электростанциях, называемых водо-водяными реакторами , большие теплообменники, называемые парогенераторами, представляют собой двухфазные кожухотрубные теплообменники, которые обычно имеют U-образные трубы. Они используются для кипячения воды, переработанной из поверхностного конденсатора, в пар, приводящий в движение турбину для производства электроэнергии. Большинство кожухотрубных теплообменников имеют 1-, 2- или 4-ходовую конструкцию со стороны трубы. Это относится к тому, сколько раз жидкость в трубках проходит через жидкость в оболочке. В однопроходном теплообменнике жидкость поступает в один конец каждой трубки и выходит из другого.
Поверхностные конденсаторы на электростанциях часто представляют собой одноходовые прямотрубные теплообменники (см. схему поверхностного конденсатора ). Распространены двух- и четырехходовые конструкции, поскольку жидкость может входить и выходить с одной и той же стороны. Это существенно упрощает строительство.
Часто имеются перегородки , направляющие поток через сторону корпуса, поэтому жидкость не проходит через стенку корпуса, оставляя неэффективные низкие объемы потока. Обычно они прикрепляются к пучку труб, а не к корпусу, чтобы пучок можно было снять для технического обслуживания.
Противоточные теплообменники наиболее эффективны, поскольку они обеспечивают максимальную среднюю логарифмическую разницу температур между горячим и холодным потоками. Однако многие компании не используют двухходовые теплообменники с U-образной трубкой, поскольку они могут легко сломаться, а также более дороги в изготовлении. Часто для имитации противотока одного большого теплообменника можно использовать несколько теплообменников .
Чтобы хорошо передавать тепло, материал трубки должен иметь хорошую теплопроводность . Поскольку тепло передается от горячей стороны к холодной через трубки, существует разница температур по ширине трубок. Из-за склонности материала трубки к различному тепловому расширению при различных температурах во время эксплуатации возникают термические напряжения . Это в дополнение к любому стрессу , вызванному высоким давлением самих жидкостей. Материал трубок также должен быть совместим с жидкостями как кожухотрубной стороны, так и в течение длительного периода времени в условиях эксплуатации ( температура , давление, pH и т. д.), чтобы свести к минимуму такие повреждения, как коррозия . Все эти требования требуют тщательного выбора прочных, теплопроводных, коррозионно-стойких, высококачественных трубных материалов, обычно металлов , включая алюминий , медный сплав , нержавеющую сталь , углеродистую сталь , сплав цветной меди, инконель , никель , хастеллой . и титан . [3] Фторполимеры, такие как перфторалкоксиалкан (PFA) и фторированный этиленпропилен (FEP), также используются для производства материала трубок из-за их высокой устойчивости к экстремальным температурам. [4] Неправильный выбор материала трубки может привести к утечке через трубку между сторонами кожуха и трубки, вызывая перекрестное загрязнение жидкости и, возможно, потерю давления.
Простая конструкция кожухотрубного теплообменника делает его идеальным решением для охлаждения для широкого спектра применений. Одним из наиболее распространенных применений является охлаждение гидравлической жидкости и масла в двигателях, трансмиссиях и гидравлических агрегатах. При правильном выборе материалов их также можно использовать для охлаждения или нагрева других сред, например, воды в бассейне или наддувочного воздуха. [5] Кожухотрубная технология имеет множество преимуществ перед пластинами.
В кожухотрубных теплообменниках существует вероятность разрыва трубки, а также попадания жидкости высокого давления (ВД) на сторону низкого давления (НД) теплообменника и создания избыточного давления. [7] Обычная конфигурация теплообменников предполагает, что жидкость высокого давления находится в трубках, а вода низкого давления, охлаждающая или нагревательная среда находятся на стороне корпуса. Существует риск того, что разрыв трубки может поставить под угрозу целостность корпуса и привести к выбросу горючего газа или жидкости с риском для людей и финансовыми потерями. Корпус теплообменника должен быть защищен от избыточного давления с помощью разрывных дисков или предохранительных клапанов. Установлено, что время открытия защитных устройств имеет решающее значение для защиты теплообменника. [8] Такие устройства устанавливаются непосредственно на корпусе теплообменника и сбрасываются в систему сброса давления.
Кожухотрубные теплообменники являются неотъемлемыми компонентами теплотехники и используются в первую очередь для эффективной теплопередачи. Конструкция и расположение трубок внутри этих теплообменников имеют основополагающее значение для их работы и эффективности. [9] Точная конструкция и характеристики трубок кожухотрубных теплообменников подчеркивают сложность теплотехники . Каждый аспект конструкции, от выбора материала до расположения трубок и потока жидкости , играет жизненно важную роль в работе теплообменника, демонстрируя сложность и точность, необходимые в этой области. [9]
Трубки в этих теплообменниках, часто называемые трубками конденсатора , отличаются от обычных водяных трубок. Они соответствуют стандарту Birmingham Wire Gage (BWG), который определяет конкретные размеры, такие как внешний диаметр . Например, трубка диаметром 1 дюйм согласно BWG будет иметь точный внешний диаметр 1 дюйм. [10] Подробные характеристики доступны в специализированных справочниках.
Трубки изготавливаются из различных материалов, каждый из которых выбирается в зависимости от конкретных требований к системе, включая теплопроводность , прочность и устойчивость к коррозии . [9]
Расположение трубок является важным аспектом дизайна. Они располагаются в отверстиях, просверленных в трубных решетках, при этом расстояние между отверстиями, известное как шаг труб, является ключевым фактором как для структурной целостности, так и для эффективности. [9] Трубы обычно имеют квадратную или треугольную форму, а конкретные схемы их расположения подробно описаны в технических справочниках.
Под количеством трубок понимается максимальное количество трубок, которые могут поместиться в кожух определенного диаметра без ослабления трубной решетки. [9] Этот аспект имеет решающее значение для обеспечения структурной целостности и эффективности теплообменника. Информацию о количестве трубок для корпусов различных размеров можно найти в специальной литературе.
В кожухотрубных теплообменниках для передачи тепла используются два отдельных потока жидкости . Трубная жидкость циркулирует внутри трубок, а оболочечная жидкость течет вокруг них, направляясь перегородками . Движение оболочки жидкости, будь то из стороны в сторону или вверх-вниз, а также количество проходов, которые она совершает по трубкам, контролируются сегментными перегородками, что необходимо для максимизации эффективности теплопередачи . [9] Эти аспекты подробно описаны в специальных ссылках.
