Огляд теплообмінного обладнання

Теплообмінники – це технічні пристрої, призначені для передачі тепла від одного середовища до іншого.

Короткий огляд теплообмінного обладнання

Залежно від способу передачі тепла розрізняють дві основні групи теплообмінників:

1) поверхневі теплообмінники, у яких передача тепла між середовищами відбувається через поверхні, що їх розділяють, – глуху стінку;

2) теплообмінники змішання, у яких тепло передається від одного середовища до іншого під час їхнього безпосереднього зіткнення.

Значно рідше застосовують у промисловості регенеративні теплообмінники, в яких нагрівання рідких середовищ відбувається, коли гарячий і холодний теплоносії контактують з однією і тією ж поверхнею по черзі. Теплота накопичується в стінці під час контакту з гарячим теплоносієм і віддається під час контакту з холодним.

На сьогодні поверхневі теплообмінники є найпоширенішим теплообмінним обладнанням. Можна виділити такі конструкції поверхневих теплообмінних апаратів: кожухотрубний теплообмінник, типу “труба в трубі”, занурювальні, пластинчасті теплообмінники, спіральні тощо.

Конструкції та види поверхневих теплообмінників

Теплообмінники відіграють важливу роль у різних промислових і побутових системах, забезпечуючи ефективну передачу тепла між двома середовищами. Вони застосовуються в опаленні, охолодженні, вентиляції та інших процесах, де потрібно контролювати температуру.

Знання різних конструкцій і типів теплообмінників дає змогу вибирати найбільш підходящий варіант для конкретних завдань. Пристрій і особливості кожного типу відіграють ключову роль в ефективності та надійності обладнання.

Кожухотрубні теплообмінники

Теплообмінник трубчастий (рис. 1) складається з пучка труб, поміщених у циліндричному корпусі 1 (кожусі). Корпус кожухотрубчастого теплообмінника являє собою трубу, зварену з одного або декількох сталевих листів. Товщина стінки кожуха (корпусу) визначається тиском робочого середовища і діаметром кожуха, але застосовується на практиці не менше 4 мм. До циліндричних крайок кожуха приварюють фланці. На зовнішній поверхні кожуха прикріплюють опори апарата. Простір між трубками 3 і бічною поверхнею кожуха називається міжтрубним. Трубки завальцьовані (закріплені) або приварені до трубних решіток 2. До фланців корпусу кріпляться кришка і днище 5, на них розташовані патрубки 4 для підведення і відведення нагрівального середовища НС. На корпусі також є патрубки 4 для підведення і відведення охолоджуваного середовища ОС (на малюнку охолоджуваним середовищем є пара).

Рис.1 Кожухотрубний теплообмінник

1- корпус; 2- трубна решітка; 3- труба, що гріє; 4- патрубок; 5- днища; 6-опори; 7- болт; 8- прокладка; 9- обичайка.

Трубки зазвичай мають діаметр d ≥10 мм і виготовляються з матеріалів, що добре проводять тепло (латунь, мідь, сталь вуглецева, сталь нержавіюча). Великим недоліком одноходових теплообмінників є невідповідність між пропускною здатністю пучка трубок і площею теплообміну. Наприклад, трубка діаметром 20 мм (за швидкості потоку 1 м/сек) може пропустити близько 1,0 т/год рідини; водночас площа поверхні трубки за звичайної довжини 3,5 м становить лише близько 0,2 м2. Цієї площі буде недостатньо для істотного підігріву такої великої кількості рідини. Цей недолік можна усунути групуванням труб в окремі пучки (ходи) і встановленням відповідних перегородок. У цьому випадку ми досягаємо ефекту завдяки збільшенню шляху руху потоку в кілька разів. Такий теплообмінник називається багатоходовим (рис. 2а). Тут робоча рідина проходить через трубний простір у кілька ходів, протікаючи послідовно через усі пучки труб.

Рис.2 Схема багатоходового трубчастого теплообмінника:

а) по трубному простору; б) по міжтрубному простору

За невеликого числа ходів (два-три) перегородки роблять по хордах, за великого – радіально або концентрично. Конструктивно зручніше влаштовувати парне число ходів, зазвичай не більше 16. Якщо в міжтрубному просторі теплоносієм є рідина, то для збільшення її швидкості також улаштовують перегородки – поздовжні і поперечні (для пари застосовують тільки одноходове виконання). Поздовжні перегородки ділять міжтрубний простір на стільки ж ходів, скільки має трубний. Ці перегородки забезпечують принцип протитечії робочих тіл. Перегородки встановлені паралельно трубкам і не досягають протилежної трубної решітки. Велике число перегородок не рекомендується через труднощі ущільнення їхніх стиків із трубними решітками.

Поперечні перегородки бувають такі, що перекривають і неперекривають. Перекриваючі перегородки перетинають весь міжтрубний простір, залишаючи навколо кожної трубки кільцеву щілину завширшки близько 2 мм. Відстань між перегородками зазвичай 100 мм. Робоче тіло протікає через кільцеві щілини з великою швидкістю. При цьому в проміжках між перегородками утворюються турбулентні завихрення, що призводить до збільшення коефіцієнта тепловіддачі. Такі перегородки незастосовні, якщо рідини можуть виділяти осад, оскільки вузькі щілини легко ним забиваються. Перегородки, що не перекривають (рис. 2б), виконують, наприклад, із проходом у вигляді сектора або сегмента.

Трубчастий теплообмінник з U-подібними трубками

Двоходовий теплообмінник часто виконують з U-подібними трубками, відкриті кінці яких завальцьовані в одну й ту саму трубну решітку (рис. 3). Під час запуску в роботу теплообмінників потрібно звертати увагу на напрямок руху робочих тіл. Гаряча (охолоджувана) рідина повинна опускатися (подача зверху), а холодна (що нагрівається) – підніматися. У цьому разі отримуємо протитечію, яка забезпечує краще термічне зрізання.

Рис.3 Схема теплообмінника з U-подібними трубками

1- кришка; 2- корпус; 3- U-подібні трубки

Трубчасті теплообмінники знайшли широке застосування в парових системах з температурою середовищ вище 200 градусів і тиском вище 25 атмосфер. У всіх інших випадках доцільно застосовувати пластинчасті теплообмінники, тому що вони будуть дешевшими, займатимуть менше місця і зручними в експлуатації.

Теплообмінники “труба в трубі”

Теплообмінники “труба в трубі” застосовують за невеликих витрат робочих рідин і високого тиску. Їх збирають із кількох послідовно з’єднаних елементів, утворених двома концентрично розташованими трубами (рис. 4). Кожен елемент складається з 2-х труб, вставлених одна в іншу. Елементи з’єднані в батарею послідовно, паралельно або комбіновано. При цьому труби з’єднуються з трубами, а кільцеві простори з кільцевими просторами. Перевагою таких теплообмінників є дотримання протитечії, що забезпечує найбільш повне використання теплоносія. Вони дають змогу досягати досить високих швидкостей рідини в діапазоні 1-1,5 м/с, що зменшує можливості відкладення забруднень на поверхні теплообміну і збільшує значення коефіцієнтів теплопередачі. Зазначимо, що ці теплообмінники більш громіздкі, порівняно з кожухотрубними, і вимагають більшої витрати металу на одиницю поверхні теплообміну.

Рис.4 Теплообмінник типу “труба в трубі”

1- зовнішня труба; 2- внутрішня труба; 3- коліно; 4- патрубок

Теплообмінники “труба в трубі” морально застаріли і застосовуються вкрай рідко.

Спіральні теплообмінники

Теплообмінник спіральний – це апарат, у якому поверхня нагріву утворена двома тонкими металевими листами, привареними до роздільної перегородки і згорнутими у вигляді спіралей.

Спіральні теплообмінники складаються з двох спіральних каналів прямокутного перерізу, утворених металевими листами (рис. 5), що слугують поверхнями теплообміну. Внутрішні кінці спіралей з’єднані перегородкою. З торців канали закриті кришками і ущільнені прокладками. Біля зовнішніх кінців каналів є патрубки для входу і виходу теплоносіїв, два інших патрубки приварені до плоских бічних кришок.

Рис.5. Спіральний теплообмінник:

1 – кришка; 2 – перегородка; 3,4 – металеві листи

Спіральний теплообмінник використовується для теплообміну між рідинами і газами. Ці теплообмінники не забиваються твердими частинками, зваженими в теплоносіях, тому їх застосовують для теплообміну між рідинами зі зваженими частинками, наприклад, для охолодження бражки на спиртових заводах.

Принцип роботи: нагрівальне середовище подається у вхідний колектор, розташований на кожусі, проходить спіральним каналом і виходить із патрубка, розташованого на серцевині апарата. Середовище, що нагрівається, входить до патрубка, розташованого на серцевині апарата, з протилежного торця спіралі, проходить своїм спіральним каналом і виходить із вихідного колектора середовища, що нагрівається.

Спіральні теплообмінники компактні щодо трубчастих теплообмінників, дають змогу проводити процес теплопередачі за високих швидкостей теплоносіїв із високими коефіцієнтами теплопередачі. Гідравлічний опір спіральних теплообмінників нижчий за опір багатоходових трубчастих апаратів за тих самих швидкостей теплоносіїв.

Недоліком спіральних теплообмінників є складність виготовлення, ремонту та чищення. Звідси випливає два основних недоліки: спіральні теплообмінники дуже дорогі за ціною та їхня експлуатація найбільш трудомістка з усього переліку теплообмінного обладнання. Серйозну конкуренцію спіральним теплообмінникам складають теплообмінники Free Flow.

Пластинчасті теплообмінники

Пластинчасті теплообмінники (рис. 6.) монтуються на рамі, що складається з верхньої і нижньої напрямних, які з’єднують стійку з нерухомою плитою. По напрямних балках переміщається рухома плита. Між рухомою і нерухомою плитами розташовується пакет сталевих штампованих гофрованих пластин, у яких є канали для проходу теплоносіїв, стягнутий стяжними шпильками. Ущільнення пластин досягається за допомогою прокладок, розташованих у спеціальному пазу пластини. Ущільнення теплообмінника можуть витримувати високі робочі тиски (до 25 бар). Теплоносії до каналів, утворених пластинами, проходять каналами, що чергуються, крізь розділені прокладками отвори.

Рис.6. Пластинчастий теплообмінник

1- верхня напрямна; 2- нерухома плита; 3- пакет теплопередавальних пластин; 4- рухома плита; 5 – нижня напрямна; 6 – стяжна шпилька; 7 – стійка; 8 – колекторні отвори

Теплопередача в пластинчастому теплообміннику частіше відбувається в протитечії, коли середовища рухаються в різних напрямках.

Пластинчасті теплообмінники (ПТО) використовують як нагрівачі, охолоджувачі, рекуператори тепла. ПТО компактні, мають велику площу поверхні теплопередачі, що досягається гофруванням пластин. Пластинчасті теплообмінники бувають розбірні та нерозбірні.

Висока ефективність зумовлена високим відношенням площі поверхні теплопередачі до об’єму теплообмінника за рахунок високих швидкостей теплоносіїв, а також турбулізації потоків гофрованими поверхнями пластин і низького термічного опору стінок пластин.

До недоліків пластинчастих теплообмінників належать складність виготовлення, можливість забивання поверхонь пластин зваженими в рідині твердими частинками. Теплообмінники Free Flow, що поставляються компанією “Тепло-Поліс”, легко впораються із завданням з передачі тепла між в’язкими середовищами і середовищами, що містять волокна і включення.

Порівняння теплообмінних апаратів

Кожен теплообмінний апарат затребуваний у своєму сегменті і знайшов свою нішу в широкій низці виробництв і технологічних процесів. Давайте розглянемо унікальні особливості кожного і визначимо найоптимальніший варіант теплообмінника.

Порівняння пластинчастих теплообмінників із кожухотрубчастими

1. Коефіцієнт теплопередачі в пластинчастих теплообмінниках у 3-4 рази більший, ніж у кожухотрубних, завдяки спеціальному гофрованому профілю проточної частини пластини, що забезпечує високий ступінь турбулізації потоків теплоносіїв. Відповідно, площа теплопередавальної поверхні теплообмінників у 3-4 рази менша, ніж кожухотрубних. Внаслідок цього пластинчасті теплообмінники мають малу металоємність, дешевші за ціною, компактні (їх можна встановити в невеликому приміщенні).
2. Висока ремонтопридатність:

• На відміну від кожухотрубних пластинчасті теплообмінники легко розбираються і швидко чистяться. При цьому не потрібен демонтаж підвідних трубопроводів (у разі застосування одноходового теплообмінника);
• У пластинчастому розбірному теплообміннику швидко і легко відбувається заміна ущільнень або пластин, також є можливість збільшити поверхню теплообміну при збільшенні теплової потужності;
• Пластинчасті теплообмінники набираються з окремих пластин, поверхня нагріву яких, як правило, не перевищує 2 м2. Ця обставина в поєднанні з оптимально обраним типом пластини дає змогу точно, без зайвого запасу, вибрати теплопередавальну поверхню теплообмінника.

3. Термін експлуатації першої одиниці ущільнювальної прокладки, що виходить з ладу, досягає 10 років. Термін роботи теплообмінних пластин 15-20 років. Вартість заміни ущільнень від вартості ПТО коливається в межах 15-25 %, що економічніше за аналогічний процес заміни латунної трубної групи в КТТО, що становить 80-90% від вартості апарата.
4. Вартість монтажу ПТО нижча на порядок, ніж у кожухотрубчастого теплообмінника.
5. Теплоносій із заниженою температурою в системах теплопостачання дає змогу нагрівати воду в ПТО до необхідної температури.
6. Індивідуальний розрахунок кожного ПТО за оригінальною програмою Виробника дає змогу підібрати його конфігурацію відповідно до гідравлічного і температурного режимів по обох контурах. Розрахунок проводиться протягом 1-2 годин.
7. Гнучкість: у разі потреби площу поверхні теплообміну в пластинчастому теплообміннику можна легко збільшити простим додаванням пластин за потреби.
8. Двоступенева система ГВП, реалізована в одному теплообміннику, дає змогу значно заощадити на монтажі та зменшити необхідні площі під індивідуальний тепловий пункт.
9. Пластинчастий теплообмінник не потребує спеціальної теплоізоляції, тому що у нього порівняно малий внутрішній об’єм.
10. Пластинчасті теплообмінники стійкі до вібрації, а трубчастий ні.

Порівняльні технічні характеристики однакових за потужністю кожухотрубних (КТО) і пластинчастих (ПТО) теплообмінників

Висновок: з огляду на всі перераховані особливості двох видів теплообмінного обладнання, можна з упевненістю сказати, що більш економічно вигідними, надійними та ефективними є пластинчасті розбірні теплообмінники.

Конкуренцію спіральним теплообмінникам складають пластинчасті теплообмінники Free Flow. Вони так само можуть працювати з в’язкими середовищами, із середовищами, що містять волокна і твердий осад. Конкурентною перевагою теплообмінників Free Flow є зручність експлуатації, порівняно низька вартість, ремонтопридатність, можливість збільшити теплову потужність за рахунок збільшення кількості пластин. Слід зазначити, що спіральні теплообмінники були популярні до появи пластинчастого теплообмінника Free Flow. На сьогодні ширококанальний теплообмінник Free Flow витісняє спіральний з усіх технологічних процесів, поступаючись йому за максимальними температурами (понад 200 градусів) і тиском (понад 25 атмосфер).

Як купити теплообмінник

Ви можете купити теплообмінник, звернувшись до нас. Для розрахунку ціни необхідно заповнити опитувальний лист і вислати на нашу адресу. Після чого фахівці “Тепло-Поліс” зроблять розрахунок з мінімальною вартістю теплообмінника і оптимальною відповідністю технічним характеристикам.