Кожухотрубный теплообменник

Конструкция кожухотрубного теплообменника

Состоит из корпуса (кожуха), трубного пучка, трубных решеток, поперечных перегородок (дефлекторов) и камер (распределительных коробок). Корпус обычно имеет цилиндрическую форму, внутри него расположен трубный пучок, концы которого закреплены в трубных решетках. Два теплообменивающихся потока — горячий и холодный — движутся один внутри труб (трубное пространство), а другой — снаружи труб (межтрубное пространство).

Для повышения коэффициента теплоотдачи со стороны межтрубного пространства внутри корпуса часто устанавливают поперечные перегородки. Перегородки увеличивают скорость потока в межтрубном пространстве, заставляя жидкость многократно поперечно омывать трубный пучок по заданной траектории, что усиливает турбулизацию потока.

Трубы в трубной решетке могут быть расположены по вершинам равностороннего треугольника или по квадрату. Расположение по треугольнику обеспечивает более компактную компоновку, высокую турбулизацию потока и больший коэффициент теплоотдачи; расположение по квадрату применяется в случаях, когда требуется механическая очистка наружной поверхности труб.

Каждый проход потока через трубное пространство называется трубным ходом; каждый проход через межтрубное пространство — межтрубным (кожуховым) ходом. На схеме представлен простейший теплообменник с одним межтрубным и одним трубным ходом — так называемый теплообменник типа 1–1.

Для повышения скорости движения жидкости внутри труб в распределительных камерах устанавливают перегородки, разделяющие все трубы на несколько групп. В этом случае поток последовательно проходит только через часть труб, совершая несколько ходов в трубном пучке — такая конструкция называется многотрубным ходом. Аналогично для увеличения скорости потока в межтрубном пространстве внутри корпуса могут быть установлены продольные перегородки, заставляющие поток совершать несколько ходов вдоль корпуса — это называется многокожуховым ходом. Многотрубные и многокожуховые ходы могут комбинироваться.

Типы кожухотрубных теплообменников

Вследствие различия температур потоков внутри труб и в межтрубном пространстве температуры корпуса и трубного пучка также различаются. При значительной разнице температур (более 50 °C) в теплообменнике возникают значительные термические напряжения, которые могут привести к изгибу или разрушению труб, а также к их вырыву из трубных решеток. Поэтому при разнице температур между трубным пучком и корпусом, превышающей 50 °C, необходимо применять соответствующие компенсирующие устройства для устранения или снижения термических напряжений. В зависимости от применяемого способа компенсации различают следующие основные типы кожухотрубных теплообменников:

① Теплообменник с жестко закрепленными трубными решетками

В теплообменниках данного типа трубные решетки, расположенные на обоих концах трубного пучка, соединены с корпусом в единое целое. Конструкция отличается простотой, однако такой теплообменник применим только в тех случаях, когда разница температур между теплоносителями невелика, а также когда механическая очистка межтрубного пространства не требуется. При несколько большей разнице температур и относительно невысоком давлении в межтрубном пространстве на корпусе может быть установлено гибкое компенсационное кольцо (линзовый компенсатор) для снижения термических напряжений

② Теплообменник с плавающей головкой (плавающей трубной решеткой)

В теплообменниках данного типа трубная решетка на одном конце трубного пучка выполнена с возможностью свободного перемещения (плавающей), что позволяет полностью исключить возникновение термических напряжений. Весь трубный пучок может быть извлечен из корпуса, что обеспечивает удобство механической очистки и проведения ремонтных работ. Теплообменники с плавающей головкой находят широкое применение, однако их конструкция отличается большей сложностью, а стоимость — более высокой.

③ U-образный теплообменник

В теплообменниках данного типа каждая теплообменная труба изогнута в форме буквы U. Оба конца трубы закреплены в одной и той же трубной решетке в верхней и нижней зонах соответственно. С помощью перегородки в распределительной камере образуются два отделения — входное и выходное. Данный тип теплообменника полностью исключает возникновение термических напряжений, а его конструкция проще, чем у теплообменника с плавающей головкой. Однако очистка трубного пространства в таком теплообменнике затруднена.