Обзор теплообменного оборудования

Тепло-Полис > Информация > Uncategorized > Обзор теплообменного оборудования

Краткий обзор теплообменного оборудования

 

Теплообменники— это технические устройства, предназначенные для передачи тепла от одной среды к другой.

 

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

1) поверхностные теплообменники, в которых передача тепла между средами происходит через разделяющие их поверхности – глухую стенку;

2) теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

Значительно реже применяются в  промышленности регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит когда горячий и холодный теплоносители контактируют с одной и той же поверхностью поочерёдно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдаётся при контакте с холодным.

На сегодняшний день поверхностные теплообменники являются наиболее распространенным теплообменным оборудованием. Можно выделить следующие конструкции поверхностных теплообменных аппаратов: кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», погружные, пластинчатые, спиральные и т.д.

 

Конструкции и виды поверхностных теплообменников

Кожухотрубные теплообменники

Теплообменник трубчатый (рис.1) состоит из пучка труб, помещенных в цилиндрическом корпусе 1 (кожухе). Корпус кожухотрубчатого теплообменника представляет собой трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Толщина стенки кожуха (корпуса) определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но применяется на практике не менее 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата. Пространство между трубками 3 и боковой поверхностью кожуха называется межтрубным. Трубки завальцованы (закреплены) или приварены к трубным решеткам 2. К фланцам корпуса крепятся крышка и днище 5, на них расположены патрубки 4 для подвода и отвода нагреваемой среды НС. На корпусе также имеются патрубки 4 для подвода и отвода охлаждаемой среды ОС (на рисунке охлаждаемой средой является пар).

Рис.1 Кожухотрубный теплообменник

1- корпус; 2- трубная решетка; 3- греющая труба; 4- патрубок; 5- днища; 6- опоры; 7- болт; 8- прокладка; 9- обечайка.

Трубки обычно имеют диаметр d ≥10 мм и изготовляются из материалов, хорошо проводящих тепло (латунь, медь, сталь углеродистая, сталь нержавеющая). Большим недостатком одноходовых теплообменников является несоответствие между пропускной способностью пучка трубок и площадью теплообмена. Например трубка диаметром 20 мм (при скорости потока 1 м/сек) может пропустить около 1,0 т/ч жидкости; при этом площадь поверхности трубки при обычной длине 3,5 м составляет всего около 0,2 м2. Этой площади будет недостаточно для существенного подогрева такого большого количества жидкости. Этот недостаток можно устранить группировкой труб в отдельные пучки (ходы) и установкой соответствующих перегородок. В этом случае мы достигаем эффекта за счет увеличения пути движения потока в несколько раз. Такой теплообменник называется многоходовым (рис.2а ). Здесь рабочая жидкость проходит через трубное пространство в несколько ходов, протекая последовательно через все пучки труб.

Рис.2 Схема многоходового трубчатого теплообменника:

а) по трубному пространству; б) по межтрубному пространству

При небольшом числе ходов (два-три) перегородки делают по хордам, при большом- радиально или концентрически. Конструктивно удобнее устраивать четное число ходов, обычно не более 16. Если в межтрубном пространстве теплоносителем является жидкость, то для увеличения ее скорости также устраивают перегородки — продольные и поперечные (для пара применяют только одноходовое исполнение). Продольные перегородки делят межтрубное пространство на столько же ходов, сколько имеет трубное. Эти перегородки обеспечивают принцип противотока рабочих тел. Перегородки установлены параллельно трубкам и не достигают противоположной трубной решетки. Большое число перегородок не рекомендуется из-за трудности уплотнения их стыков с трубными решетками.

Поперечные перегородки бывают перекрывающие и неперекрывающие. Перекрывающие перегородки пересекают все межтрубное пространство, оставляя вокруг каждой трубки кольцевую щель шириной около 2 мм. Расстояние между перегородками обычно 100 мм. Рабочее тело протекает через кольцевые щели с большой скоростью. При этом в промежутках между перегородками образуются турбулентные завихрения, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи. Такие перегородки неприменимы, если жидкости могут выделять осадок, т.к. узкие щели легко им забиваются. Неперекрывающие перегородки (рис.2б ) выполняют, например, с проходом в виде сектора или сегмента.

 

Трубчатый теплообменник с U-образными трубками

Двухходовый теплообменник часто выполняют с U-образными трубками, открытые концы которых завальцованы в одну и ту же трубную решетку (рис.3). При запуске в работу теплообменников нужно обращать внимание на направление движения рабочих тел. Горячая (охлаждаемая) жидкость должна опускаться (подача сверху), а холодная (нагреваемая) — подниматься. В этом случае получаем противоток, который обеспечивает лучшую термическую срезку.

Рис.3 Схема теплообменника с U- образными трубками

1- крышка; 2- корпус; 3- U- образные трубки

Трубчатые теплообменники нашли широкое применение в паровых системах с температурой сред выше 200 градусов и давлением выше 25 атмосфер. Во всех других случаях целесообразно применять пластинчатые теплообменники, так как они будут более дешевыми, занимать меньше места и удобными в эксплуатации.

 

Теплообменники «труба в трубе»

Теплообменники «труба в трубе» применяют при небольших расходах рабочих жидкостей и высоких давлениях. Их собирают из нескольких последовательно соединенных элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами (рис.4). Каждый элемент состоит из 2-х труб, вставленных одна в другую. Элементы соединены в батарею последовательно, параллельно или комбинировано. При этом трубы соединяются с трубами, а кольцевые пространства с кольцевыми пространствами. Достоинством таких теплообменников является соблюдение противотока, что обеспечивает наиболее полное использование теплоносителя. Они позволяют достигать довольно высоких скоростей жидкости в диапазоне 1-1,5 м/с, что уменьшает возможности отложения загрязнений на поверхности теплообмена и увеличивает значения коэффициентов теплопередачи. Отметим, что эти теплообменники более громоздки, по сравнению с кожухотрубными, и требуют большего расхода металла на единицу поверхности теплообмена.

Рис.4 Теплообменник типа «труба в трубе»

1- наружная труба; 2- внутренняя труба; 3- колено; 4- патрубок

Теплообменники «труба в трубе» морально устарели и применяются крайне редко.

Конструкции кожухотрубчатых теплообменников

Спиральные теплообменники

Теплообменник спиральный- это аппарат, в котором поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке и свернутыми в виде спиралей.

Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, образованных металлическими листами (рис.5), которые служат поверхностями теплообмена. Внутренние концы спиралей соединены перегородкой. С торцов каналы закрыты крышками и уплотнены прокладками. У наружных концов каналов имеются патрубки для входа и выхода теплоносителей, два других патрубка приварены к плоским боковым крышкам.

Рис.5. Спиральный теплообменник:

1 — крышка; 2 — перегородка; 3,4 — металлические листы

Спиральные теплообменники используются для теплообмена между жидкостями и газами. Эти теплообменники не забиваются твердыми частицами, взвешенными в теплоносителях, поэтому они применяются для теплообмена между жидкостями со взвешенными частицами, например, для охлаждения бражки на спиртовых заводах.

Принцип работы: греющая среда подается во входной коллектор, расположенный на кожухе, проходит по спиральному каналу и выходит из патрубка, расположенного на сердцевине аппарата. Нагреваемая среда входит в патрубок расположенный на сердцевине аппарата с противоположного торца спирали, проходит по своему спиральному каналу и выходит из выходного коллектора нагреваемой среды.

Спиральные теплообменники компактны по отношению к трубчатым теплообменникам, позволяют проводить процесс теплопередачи при высоких скоростях теплоносителей с высокими коэффициентами теплопередачи. Гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников ниже сопротивления многоходовых трубчатых аппаратов при тех же скоростях теплоносителей.

Недостатком спиральных теплообменников является сложность изготовления, ремонта и чистки. Отсюда следует два основных недостатка: спиральные теплообменники очень дорогие по цене и их эксплуатация самая трудоемкая из всего перечня теплообменного оборудования. Серьезную конкуренцию спиральным теплообменникам составляют теплообменники Free Flow.

 

Пластинчатые теплообменники

Пластинчатые теплообменники (рис.6.) монтируются на раме, состоящей из верхней и нижней направляющих, которые соединяют стойку с неподвижной плитой. По направляющим балкам перемещается подвижная плита. Между подвижной и неподвижной плитами располагается пакет стальных штампованных гофрированных пластин, в которых имеются каналы для прохода теплоносителей, стянутый стяжными шпильками. Уплотнение пластин достигается с помощью прокладок, расположенных в специальном пазу пластины. Уплотнения теплообменника могут выдерживать высокие рабочие давления (до 25 бар). Теплоносители к каналам, образованным пластинами, проходят по чередующимся каналам сквозь разделенные прокладками отверстия.

Рис.6. Пластинчатый теплообменник

1- верхняя направляющая; 2- неподвижная плита; 3- пакет теплопередающих пластин; 4- подвижная плита; 5- нижняя направляющая; 6- стяжная шпилька; 7- стойка; 8- коллекторные отверстия

Теплопередача в пластинчатом теплообменнике чаще происходит в противотоке, когда среды движутся в разных направлениях.

Пластинчатые теплообменники (ПТО) используются в качестве нагревателей, охладителей, рекуператоров тепла. ПТО компактны, обладают большой площадью поверхности теплопередачи, что достигается гофрированием пластин. Пластинчатые теплообменники бывают разборные и неразборные.

Высокая эффективность обусловлена высоким отношением площади поверхности теплопередачи к объему теплообменника за счет высоких скоростей теплоносителей, а также турбулизации потоков гофрированными поверхностями пластин и низкого термического сопротивления стенок пластин.

К недостаткам пластинчатых теплообменников относятся сложность изготовления, возможность забивания поверхностей пластин взвешенными в жидкости твердыми частицами. Однако на сегодняшний момент пластинчатые теплообменники Free Flow, поставляемые компанией «Тепло-Полис», легко справляются с задачей по передаче тепла между вязкими средами и средами, содержащими волокна и включения.

Принцип работы пластинчатого теплообменника, 3D-анимация

Сравнение теплообменных аппаратов

Каждый теплообменный аппарат востребован в своем сегменте и нашел свою нишу в широком ряде производств и технологических процессов. Давайте рассмотрим уникальные особенности каждого и определим самый оптимальный вариант теплообменника.

Сравнение пластинчатых теплообменников с кожухотрубчатыми.

  1. Коэффициент теплопередачи в пластинчатых теплообменниках в 3–4 раза больше, чем в кожухотрубных, благодаря специальному гофрированному профилю проточной части пластины, обеспечивающему высокую степень турбулизации потоков теплоносителей. Соответственно, площадь теплопередающей поверхности теплообменников в 3–4 раза меньше, чем кожухотрубных. Вследствие этого пластинчатые теплообменники имеют малую металлоемкость, дешевле по цене, компактны (их можно установить в небольшом помещении).
  2. Высокая ремонтопригодность:
  • В отличие от кожухотрубных пластинчатые теплообменники легко разбираются и быстро чистятся. При этом не требуется демонтаж подводящих трубопроводов (в случае применения одноходового теплообменника);
  • В пластинчатом разборном теплообменнике быстро и легко происходит замена уплотнений или пластин, также есть возможность увеличить поверхность теплообмена, при увеличении тепловой мощности;
  • Пластинчатые теплообменники набираются из отдельных пластин, поверхность нагрева которых, как правило, не превышает 2 м2. Это обстоятельство в сочетании с оптимально выбранным типом пластины позволяет точно, без лишнего запаса, выбрать теплопередающую поверхность теплообменника.
  1. Срок эксплуатации первой выходящей из строя единицы уплотнительной прокладки достигает 10 лет. Срок работы теплообменных пластин 15-20 лет. Стоимость замены уплотнений от стоимости ПТО колеблется в пределах 15-25 %, что экономичнее аналогичного процесса замены латунной трубной группы в КТТО, составляющей 80-90% от стоимости аппарата.
  2. Стоимость монтажа ПТО ниже на порядок, чем у кожухотрубчатого теплообменника.
  3. Теплоноситель с заниженной температурой в системах теплоснабжения позволяет нагревать воду в ПТО до требуемой температуры.
  4. Индивидуальный расчет каждого ПТО по оригинальной программе Изготовителя — позволяет подобрать его конфигурацию в соответствии с гидравлическим и температурным режимами по обоим контурам. Расчет производится в течении 1-2 часов.
  5. Гибкость:в случае необходимости площадь поверхности теплообмена в пластинчатом теплообменнике может быть легко увеличена простым добавлением пластин при необходимости.
  6. Двухступенчатая система ГВС, реализованная в одном теплообменнике, позволяет значительно сэкономить на монтаже и уменьшить требуемые площади под индивидуальный тепловой пункт.
  7. Пластинчатый теплообменник не требует специальной теплоизоляции, т.к. у него сравнительно малый внутренний объем.
  8. Пластинчатые теплообменники устойчивы к вибрации, а трубчатый нет.

Сравнительные технические характеристики одинаковых по мощности кожухотрубных (КТО) и пластинчатых (ПТО) теплообменников

Характеристика КТО ПТО
Коэффициент теплопередачи (условно) 1 3 — 5
Разность (возможная) температур теплоносителя и нагреваемой среды на выходе Не менее 5-10 °С 1 — 2 °С
Изменение площади поверхности теплообмена Невозможно Допустимо, кратно количеству пластин
Соединение при сборке Сварка, вальцовка Разъемные
Доступность для внутреннего осмотра и чистки Неразборный, труднодоступен, простая замена частей невозможна; возможна только промывка Разборный. Легко доступный осмотр, обслуживание и замена любой части, а так же механической промывки пластин.
Время разборки 90 — 120 мин. 15 мин.
Материал Латунь или медь Нержавеющая сталь
Уплотнения Неразборный. Простая замена невозможна Уплотнения можно менять на новые. Жестко зафиксированы в каналах пластины. Отсутствие протечек после механической чистки и сборки
Обнаружение течи Невозможно обнаружить без разборки Немедленно после возникновения, без разборки
Чувствительность к вибрации Чувствителен Не чувствителен
Вес в сборе (условно) 10 — 15 1
Теплоизоляция Необходима Не требуется
Ресурс работы до капремонта 5 — 10 лет 15 — 20 лет
Габариты (условно) 5-6 1
Специальный фундамент Требуется Не требуется

Вывод: учитывая все перечисленные особенности двух видов теплообменного оборудования, можно с уверенностью сказать, что более экономически выгодными, надежными и эффективными являются пластинчатые разборные теплообменники.

Конкуренцию спиральным теплообменникам составляют пластинчатые теплообменники Free Flow. Они так же могут работать с вязкими средами, со средами, содержащими волокна и твердый осадок. Конкурентным преимуществом теплообменников Free Flow является удобство эксплуатации, сравнительно низкая стоимость, ремонтопригодность, возможность увеличить тепловую мощность за счет увеличения количества пластин. Следует отметить, что спиральные теплообменники были популярные до появления пластинчатого теплообменника Free Flow. На сегодняшний момент ширококанальный теплообменник Free Flow вытесняет спиральный со всех технологических процессов, уступая ему по максимальным температурам (более 200 градусов) и давлениям (более 25 атмосфер).

Как купить теплообменник

Вы можете купить теплообменник, обратившись к нам. Для расчета цены необходимо заполнить опросный лист и выслать в наш адрес. После чего специалисты «Тепло-Полис» произведут расчет с минимальной стоимостью теплообменника и оптимальным соответствием техническим характеристикам.

X