Путеводитель по отоплению

Кожухотрубчатый теплообменник: чертеж, принцип действия

Простота изготовления, ремонтопригодность, хорошие эксплуатационные характеристики и надежность конструкции делают рекуперативный или кожухотрубный аппарат одним из самых распространенных видов теплотехнического оборудования. В качестве рабочей среды могут применяться: газ, вода, пар, воздух, нефть и т. д. Чем выше их популярность, тем чаще специалисты сталкиваются с необходимостью делать расчет для их выбора. К счастью, прогресс не стоит на месте. Была разработана программа для выбора рекуператоров. Расскажем о ней подробнее.

Схема кожухотрубного теплообменника
Рис. 1 Схема кожухотрубного
теплообменника

К чему сводится расчет кожухотрубного теплообменника? К определению поверхности теплообмена и конечных температур теплоносителя. На чем он основывается? На составлении теплового баланса рекуператора по заданной схеме (см. рис.1) и определении коэффициента теплопередачи.

Исходные данные:

  • начальные температуры обеих сред (греющей и нагреваемой), их давление и массовый расход.
  • физические характеристики теплоносителей (вязкость, плотность, теплопроводность и т. д.).
  • конечная температура одной из температурных сред.

Расчет поверхности.

Программа определяет тепловую мощность рекуператора из уравнения теплового баланса.

Уравнение теплового баланса

  • Q = Ср* Ϭt.
  • G - массовый расход среды, кг/с.
  • Ϭt - изменение температуры среды, °С.

Полученную мощность подставляем в уравнение коэффициента теплопередачи и находим из него поверхность нагрева (теплообмена), м2.

  • F = Q / k ∆t.
  • Q — тепловая мощность, уже определенная из уравнения теплового баланса, Вт.
  • к — коэффициент теплопередачи через разделяющую стенку, Вт/м2К, определяется довольно сложным расчетом.
  • ∆t – средний температурный напор, который определяет схема движения греющей и обогреваемой сред (противоток, прямоток), °С.

Определив из последнего уравнения поверхность нагрева теплообменника, из базы типовых рекуператоров подбирается вариант с похожими характеристиками.

Чертеж линзового рекуператора
Рис. 2 Чертеж линзового рекуператора

Описанный выше расчет был предварительным. После него начинается самый сложный и длинный этап — проверочный расчет кожухотрубного теплообменника. Рассчитываются проходные сечения по греющей и обогреваемой среде, делается расчет теплообменника на прочность, меняется схема движения сред и все пересчитывается заново. В конечном итоге программа определяет коэффициент запаса по поверхности нагрева.

Этот запас необходим, на случай если внезапно поменяется нагрузка на теплообменник (плохая работа питательных насосов, шламообразование в трубах, часть трубного пучка пришлось заглушить для ремонта). В заключение программа вычислит массу рекуператора. Это удобно — сразу есть работа для строителей (выдается задание на фундаменты).

Программа методом многочисленных итераций находит оптимальные варианты и выдает в виде списка. Даже если ни один вариант схемы типового конденсатора вам не подойдет, у вас на руках останется расчет, в котором есть все данные для разработки рабочего проекта.

Раньше эта работа делалась вручную, можно так сделать и сейчас, но долго выбирать оптимальную схему никто не будет — выберут первую, которая пройдет по температурам. Так зачем мучиться несколько дней, если программа предоставит вам расчет кожухотрубчатого теплообменника буквально за минуты?

Кожухотрубчатый теплообменник. Конструкция и принцип работы

Рассмотрим кожухотрубчатый теплообменник, чертеж которого мы видим на рисунке 2. Опишем его конструкцию, соблюдая последовательность его сборки.

Фланцевое соединение рекуператора
Рис. 3 Фланцевое соединение рекуператора
  • Между трубными решетками ввариваются трубы с предварительно надетыми на них дистанционными решетками. Последние не только дистанционируют трубы пучка, они еще и делают теплообменный аппарат многоходовым, увеличивая тепловую эффективность его схемы. Эта конструкция образует трубную систему рекуператора.
  • К кожуху привариваются два штуцера — подвода и отвода среды. К торцам кожуха варятся фланцы.
  • В днища рекуператора вваривают штуцера повода и отвода среды. Приваривают фланцы, ответные фланцам кожуха.
  • Трубная система вставляется в кожух. Трубные решетки зажимаются между фланцами днища и кожуха, уплотняются прокладками, соединяются болтами или шпильками (см. рис. 3). Это дает возможность легко осуществить ремонт кожухотрубных теплообменников: разболтить фланцевое соединение и вынуть трубный пучок.

Греющая среда может циркулировать в межтрубном пространстве, а может идти по трубной системе. Равновероятны оба варианта схемы. Все зависит от физических характеристик среды и удобства монтажа подводящих трубопроводов. Схема кожухотрубного теплообменника закладывается в расчет программы.

Компенсация температурных удлинений

Кожухотрубчатый теплообменник, принцип работы которого всегда построен на передаче тепла от греющей среды к обогреваемой через разделительную стенку, имеет один момент, который сильно влияет на его конструкцию. В том случае, если значения температур греющей и обогреваемой среды будут сильно различаться, конструкция должна предусматривать компенсацию температурных удлинений. Если этого не сделать, то корпус будет расширяться быстрее, чем трубный пучок (или наоборот). Это приведет к деформации труб, а значит, ремонт — неизбежен. Возможные варианты решений приведены на рис.4

Типы кожухотрубных теплообменников
Рис. 4 Типы кожухотрубных теплообменников

I и II — греющая и обогреваемая среда.

  • 1 — кожух рекуператора.
  • 2 — трубная система.
  • 3 — компенсатор.
  • 4 — головка трубной системы.

а) Теплообменник с линзовым компенсатором, к которому приварены две независимых части корпуса. Эта конструкция (схема) подходит только для рекуператоров с низкими температурами и давлением. Если подавать на него теплоносители с высокими параметрами, то остановки на ремонт не избежать (работа тонкого компенсатора в таких условиях невозможна). Теплообменник кожухотрубный, чертеж которого показан на рис. 2 как раз относится к линзовым теплообменникам.

б) Рекуператор с плавающей головкой. Трубная система только с одной стороны зажата между фланцами корпуса и крышки (днища). С другой стороны торцы труб вварены в отдельную камеру (головку), которая не связана жестко с корпусом. Таким образом, трубный пучок и корпус могут удлиняться независимо друг от друга. Ремонт в этом случае не составит проблем — трубная система вытаскивается вместе с головкой.

в) Теплообменный аппарат с трубками U-образной формы. Крышка, куда входит греющая среда, разделена перегородкой на две камеры. Принцип, на котором основан теплообмен: в одну камеру входит среда I и по половине труб U-образной формы, проходя весь кожухотрубчатый теплообменник, возвращается во вторую камеру входной крышки. Среда II входит в один патрубок кожуха, циркулирует в межтрубном пространстве и выходит по второму патрубку. Корпус и трубная система расширяются независимо друг от друга.

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:

  • Скорость теплоносителей. Так, для жидких теплоносителей ω =0,6…6 м/с, для газообразных ω = 3-30 м/с. Чем выше скорость, тем выше тепловая мощность теплообменника. Но при этом растет и расход электроэнергии (нагрузка) на питательный насос, которому нужно «продавить» среду по системе. Чаще всего скорости сознательно занижают.
  • При выборе диаметра и материала трубного пучка нужно учесть:
    • качество воды (пара). Шлак и накипь снизят теплопередачу и тепловую мощность рекуператора.
    • чем хуже условия, в которых будет проходить работа теплообменника, тем лучше должна быть сталь, из которой он будет сделан. Если придется делать промывку кислотой, то без нержавейки тут не обойтись. Лучше раз потратиться на изготовление, чем постоянно останавливать рекуператор на ремонт.
  • Ограничение по габаритам. Его размеры не должны превышать максимально возможные транспортировочные габариты.
  • Ремонтопригодность. После монтажа перед рекуператором должно быть достаточно пространства, чтобы можно было произвести ремонт кожухотрубных теплообменников (вынуть трубную систему из кожуха). Работа сварщиков тоже требует пространства для маневра. Если это невозможно, то рекомендуется конструкция (схема), показанная на рис. 5.
  • Удобство эксплуатации. Его конструкция должна предусматривать свободный подход к задвижкам, приборам контроля, фланцам.
  • Технология изготовления. Сама работа (технология) и сортамент материалов накладывает определенные ограничения. Так, например, очень трудно будет найти лист толщиной 9 мм, в то время как 10 мм можно купить у любой фирмы. Выточить много деталей — дорого. Желательно такие элементы конструкции сразу менять. И т. д. и т. п.
Конструкция теплообменника в стесненной компоновке
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.

Статьи по теме:
Пластинчатый теплообменник: технические характеристикиПластинчатый теплообменник: технические характеристики
Разборный пластинчатый теплообменникРазборный пластинчатый теплообменник
Принцип работы пластинчатого теплообменникаПринцип работы пластинчатого теплообменника