Конструкція та будова кожухотрубного теплообмінника (трубчастий теплообмінник)

Кожухотрубний теплообмінник зустрічається буквально всюди. У котельнях, на заводах, у системах опалення та кондиціонування, тобто, як у промисловості, так і в побуті. Чилер, котли, кондиціонуючі пристрої – трубчастий теплообмінник працює з усіма цими пристроями. Але що це таке і як функціонує? У цьому треба розібратися і, бажано, без складних термінів.

Конструкція кожухотрубного теплообмінника не така складна, як могло б здаватися на перший погляд. Уявіть собі велику металеву бочку, всередині якої проходять десятки тонких трубок. Це і є кожухотрубний теплообмінник. Гаряча рідина тече по трубках, а холодна – навколо них всередині цієї бочки. Даний процес провокує передачу тепла через стінки трубок. Просто та ефективно.

Будова кожухотрубного теплообмінника – основні компоненти

Корпус (кожух)

Корпус – це зовнішня оболонка всього пристрою. Зазвичай робиться зі сталі або нержавійки. Всередині нього створюється камера для однієї з рідин. Товщина стінок залежить від тиску та температури робочих середовищ.

Трубний пучок

Кожухотрубний теплообмінник конструкція якого складається з ряду важливих компонентів, обов'язково включає трубний пучок. Це багато паралельних трубок, через які протікає одна з рідин. Трубки можуть бути прямими або U-подібними. Матеріал – зазвичай мідь, сталь або спеціальні сплави.

Кількість трубок може бути різною. У невеликих пристроях – кілька десятків. У промислових – тисячі. Тобто, все залежить від потужності теплообміну.

Трубні решітки

Трубні решітки утримують трубки в потрібному положенні. Це товсті металеві пластини з отворами. В отвори вставляються і завальцьовуються трубки. Решітки розділяють простір корпусу на камери.

Перегородки

Будова кожухотрубчастого теплообмінника не може обійтися без перегородок, які встановлюються всередині корпусу. Вони спрямовують потік рідини та збільшують турбулентність. Це підвищує ефективність теплообміну. Перегородки бувають різних типів – сегментні, спіральні, стержневі.

Трубчастий теплообмінник – конструкція і принцип роботи

Працює все досить просто. Гаряча рідина подається в трубки, а холодна надходить в міжтрубний простір. Тепло переходить від гарячої рідини до холодної через стінки трубок.

Рух рідин може бути прямоточним або протитечійним. При прямотечії обидва потоки рухаються в одному напрямку, при протитечії, відповідно, в різних. Протитечія ефективніша, але складніша у виконанні.

До речі, температура на виході залежить від площі теплообміну. Чим більше трубок і їх довжина, тим краще передається тепло. Але й габарити пристрою зростають.

Конструкція кожухотрубного теплообмінника – приклад розрахунку ефективності

Візьмемо простий приклад. Гаряча вода 80°C поступає в трубки зі швидкістю 2 м/с. Холодна вода 20°C тече по міжтрубному простору. При правильному розрахунку гаряча вода остигає до 40°C, а холодна нагрівається до 60°C.

Будова кожухотрубного теплообмінника – типи

1.       По розташуванню трубок. Горизонтальні теплообмінники розташовуються паралельно підлозі. Зручні для обслуговування, але займають багато місця. Використовуються в котельнях та промислових установках. Вертикальні теплообмінники економлять площу. Рідини рухаються знизу вгору або навпаки, а природна конвекція допомагає теплообміну.

2.       По конфігурації трубок. Прямотрубні апарати мають прямі трубки – проста конструкція кожухотрубного теплообмінника, легко чиститься. Але є проблеми з температурними розширеннями при великих перепадах температур. U-подібні теплообмінники вирішують проблему температурних деформацій. Трубки зігнуті у формі літери U, один кінець кріпиться до трубної решітки, інший вільно рухається.

3.       По кількості ходів. Хід – це шлях, який проходить рідина від входу до виходу. Бувають одноходові та багатоходові апарати. У багатоходових рідина кілька разів змінює напрямок, що збільшує довжину шляху і покращує теплообмін.

Кожухотрубний теплообмінник конструкція якого може виготовлятися з різних матеріалів, має власну міцність. Вибір матеріалу залежить від робочих середовищ. Для води підходить звичайна сталь, а для агресивних рідин потрібна нержавійка або спеціальні сплави.

Вуглецева сталь – найдешевший варіант. Застосовується для неагресивних середовищ при температурах до 450°C. Служить довго, але може кородувати. Нержавіюча сталь дорожча, але стійка до корозії. Витримує високі температури і тиски. Підходить для харчової промисловості.

Мідь та мідні сплави мають відмінну теплопровідність. Використовуються в холодильній техніці та системах кондиціонування. При цьому дорогі та м'які. Титан – для найскладніших умов. Хімічно стійкий, легкий, міцний, але дуже дорогий. Застосовується в хімічній промисловості.

Трубчастий теплообмінник – конструкція і розрахунок основних параметрів

При виборі теплообмінника потрібно знати кілька ключових параметрів:

Площа теплообміну розраховується за формулою. Але на практиці краще звернутися до спеціалістів – вони врахують усі нюанси конкретного застосування.

Кожухотрубний теплообмінник – конструкція і області застосування

Промисловість

У хімічній промисловості кожухотрубні теплообмінники охолоджують реакційні суміші. На нафтопереробних заводах нагрівають нафтопродукти. В енергетиці використовуються як підігрівачі живильної води.

Читайте також: охолодження обладнання для лиття пластмас

Житлово-комунальне господарство

У котельнях такі апарати готують гарячу воду для опалення та ГВП. У системах теплопостачання передають тепло від магістральних мереж до домових систем.

Харчова промисловість

Тут важлива гігієнічність матеріалів. Теплообмінники з нержавійки пастеризують молоко, нагрівають соки, охолоджують пиво. Легко миються та дезінфікуються.

Холодильна техніка

У промислових холодильних установках кожухотрубні випарники та конденсатори працюють з холодоагентами. Забезпечують охолодження складів та виробництв.

Рекомендуємо прочитати: холодопостачання камери охолодження та зберігання

Особливості монтажу та експлуатації

Будова кожухотрубчастого теплообмінника така, що при монтажі важливо дотримуватися ухилів для повного зливу рідин. Трубопроводи повинні кріпитися так, щоб не передавати зусилля на корпус теплообмінника.

Регулярно контролюйте температуру та тиск. Різкі зміни можуть сигналізувати про проблеми. Періодично перевіряйте герметичність з'єднань.

Очищення – важлива процедура. Накип і забруднення різко знижують ефективність. Використовуйте хімічне або механічне очищення залежно від типу забруднень.

FAQ по конструкції кожухотрубних теплообмінників

Будова кожухотрубного теплообмінника і пластинчастого – відмінності

У кожухотрубному тепло передається через стінки трубок, а в пластинчастому – через пластини. Кожухотрубний більш надійний і витримує високі тиски. Пластинчастий компактніший та ефективніший при низьких тисках.

Чи можна використовувати один теплообмінник для різних рідин?

Так, але потрібно враховувати сумісність матеріалів корпусу та трубок з усіма рідинами. Також важливо правильно промивати систему при переході на інше середовище. Краще мати окремі апарати для різних завдань.

Як часто потрібно чистити кожухотрубний теплообмінник?

Частота залежить від якості води та режиму роботи. При використанні жорсткої води – кожні 3-6 місяців. З м'якою водою можна рідше – раз на рік. Контролюйте ефективність за температурами на вході та виході.

Що робити, якщо потекла трубка в теплообміннику?

Будова кожухотрубчастого теплообмінника дозволяє невелику течу тимчасово усунути заглушкою трубки. Але це знижує потужність апарата. При серйозних пошкодженнях потрібна заміна всього трубного пучка, тож краще не зволікати з ремонтом.

Яка швидкість руху рідини оптимальна в трубках?

Для води оптимальна швидкість 1-2 м/с у трубках і 0,3-0,8 м/с у міжтрубному просторі. Занадто низькі швидкості погіршують теплообмін, високі – збільшують втрати тиску і провокують ерозію трубок.

Чому падає ефективність теплообмінника з часом?

Головна причина – забруднення та накип на поверхнях теплообміну. Вони створюють додатковий термічний опір. Також можливе засмічення прохідних перерізів, що порушує циркуляцію рідин. Регулярне очищення вирішує цю проблему.