Кожухотръбни топлообменни апарати

Kожухотръбните топлообменни апарати са широко използвани в химическата промишленост и особено в рафинерии заради многобройните предимства, които предлагат пред другите видове топлообменници. Налична е и много информация за тяхното устройство и изработване.

Ключово предимство на кожухотръбните топлообменници е, че позволяват топлообмен с кондензиращи пари или кипяща течност както в тръбите, така и в корпуса, като ориентацията може да е хоризонтална или вертикална. Освен това падовете на налягането могат да имат широк обхват, а топлинните натоварвания да се облекчават евтино. Налице е и значителна гъвкавост за материалите, от които се изграждат тези топлообменници, за да се намали рискът от корозия и други подобни притеснения.

Корпусът и тръбите могат да бъдат направени от различни материали, а разширена топлоотдаваща площ (перки) може да се използва за подобряване на преноса на топлина. В допълнение към това, почистването и ремонтът на тези топлообменници са сравнително лесни, тъй като за тази цел оборудването може да бъде демонтирано.

Кожухотръбните топлообменници имат два основни компонента - сноп кръгли тръби и цилиндричен корпус, в който са монтирани тези тръби. Другите компоненти на топлообменника включват: канали (глави), тръбни решетки, прегради, свързващи пръти, разделители и при необходимост топлинни фуги.

Тръби

Тръбите на топлообменниците могат да са безшевни или заварени. Безшевните тръби се произвеждат чрез екструдиране, а заварените - чрез валцоване на лента в цилиндър и заваряване на шевовете. Заварените тръби обикновено са по-изгодни. Обикновено диаметрите им са 16 мм, 19 мм и 25 мм. Могат да се използват и тръби с по-малък диаметър, но те са по-трудни за механично почистване.

Понякога се използват тръби с по-голям диаметър за улесняване на почистването или за постигане на по-нисък спад на налягането.

Нормалната дебелина на стената на тръбата варира от 2,8 мм до 1,6 мм. Тръби с по-тънки стени се използват, когато материалът, от който са изградени, е относително скъп - например титан.

Тръбите могат да са оребрени, за да осигурят по-голяма топлоотдаваща площ. Оребрението обикновено е по външната страна на тръбите, но може да бъде направено и по вътрешната. Високоточните тръби имат специална повърхност, която подобрява преноса на топлина на една или и двете страни на тръбата.

Вложки като усукани ленти могат да се инсталират в тръбите, за да се подобри топлообменът, особено при работа с вискозни флуиди в условия на ламинарен поток. В кожухотръбните топлообменници могат да се използват и усукани тръби, които могат да осигурят подобрен топлообмен за някои приложения.

Тръбни решетки

Тръбните решетки са плочи или изковки, пробити така, че през отворите им да се вкарат тръби. Тези тръби са подходящо закрепени към решетката, така че флуидът при корпуса на топлообменника да не се смесва с тази при тръбите. Отворите на тръбната решетка обикновено се пробиват в една от две схеми - триъгълна или квадратна. Разстоянието между центровете на отвора обикновено е 1,25 пъти външния диаметър на тръбите.

Често се използват други размери за намаляване на пада на налягането по страните на корпуса, както и за контролиране скоростта на флуида, когато протича през тръбния сноп. Триъгълната схема на пробиване се прилага най-често, тъй като осигурява по-голям топлообмен и компактност. Квадратната схема на пробиване пък улеснява механичното почистване на външната страна на тръбите.

Тръбните решетки обикновено трябва да са две, освен при U-образните тръбни снопове. Тръбите се вкарват в отворите на решетката и се захващат здраво чрез заваряване или чрез механично или хидравлично разширение. “Валцован възел” е общият термин за свързването на тръбите с тръбната решетка чрез механично разширение. Това свързване най-често се осъществява чрез ролкови разширители.

По-рядко тръбите се разширяват чрез хидравлични процеси, които повлияват на механичната връзка. Тръбите могат и да се заваряват към предната или вътрешната страна на тръбната решетка. Силовото заваряване означава, че механичната якост на съединението е осигурена основно от самото заваряване, а тръбите са само леко разширени към тръбната решетка, като така не съществува и процепът, който иначе би се образувал.

Заваряването със запечатване пък значи, че механичната якост на съединението е осигурена главно чрез разширяването на тръбите към заварените за тръбната решетка за по-добра защита от течове. Цената на тези заварки обикновено е обоснована от повишената надеждност, намалени разходи за поддръжка и по-малко течове в системата.

Заварените свръзки са необходими, когато се използват покрити тръбни решетки, когато се използват тръби с дебелина на стената по-малко от 1,6 мм, както и за някои метали, които не могат да бъдат адекватно разширени за постигане на приемливо механично свързване (например титан и Сплав 2205).

Прегради

Преградите изпълняват три функции: подкрепят тръбата; поддържат разстоянието в тръбата; насочват потока на флуида през междутръбното пространство по точно определен начин. Сегмент, наречен разрез на преградата, се изрязва, за да позволи на флуида да тече успоредно на оста на тръбата от една преграда до друга.

Оптималните разрези са с височина на сегмента приблизително 25 процента от диаметъра на корпуса. Разрези, по-големи или по-малки от оптималното обикновено водят до лошо разпределение на междутръбния поток и големи водовъртежи, мъртви зони зад преградите и падове на налягането, по-високи от очакваните.

Разстоянието между преградите се нарича преграден модул. Разрезът на преградите и преградният модул определят скоростта на напречния поток и следователно степента на топлообмен и пада на налягането. Техните параметри се избират още в процеса на проектиране на топлообменника, така че резултатът да е най-висока скорост на течение и пренос на топлина при допустим за системата пад на налягане.

Ориентацията на разреза е важна при хоризонтално инсталираните топлообменници. Когато по корпуса се извършва чувствителен топлообмен без фазово превръщане, разрезът трябва да е хоризонтален. Така флуидът може да се движи нагоре и надолу и се предотвратява стратификация на по-топлия флуид в горната част и по-студения охладител в долната част на топлообменника.

При кондензация разрезът е вертикален, за да позволи на кондензата да се придвижва към изхода, без да е възпрепятстван от насъбрания флуид по преградите. При топлообмен в кипящ слой разрезът може да е както вертикален, така и хоризонтален в зависимост от необходимата услуга.

Понякога се използват и други видове прегради като: двойна сегментна, тройна сегментна, спираловидна преграда, прегради от разтеглена ламарина и преграда от прътове. Повечето от тези видове са предназначени да осигурят посока на потока, различна от напречна, и се използват при необичайни проектни условия. Надлъжните прегради понякога се избират за разделяне на корпуса, така че да се образуват няколко прохода. Тези видове топлообменници могат да са полезни в приложения за оползотворяване на топлината.

Свързващи пръти и разделители

Свързващите пръти и разделителите се използват по две причини: да задържат конструкцията от прегради и да поддържат определено разстояние между преградите. Свързващите пръти са закрепени за тръбната решетка в единия край и за последната преграда в другия край. Разделителите пък се поставят върху свързващите пръти между всяка преграда, така че свободното пространство да е според определеното. Минималният брой свързващи пръти и разделителни елементи зависи от техния размер и от диаметъра на корпуса.

Канали (глави)

Каналите или главите са необходими на кожухотръбните топлообменници, за да съдържат флуида при тръбите и да предоставят желания контур на протичане. Налични са много видове канали, които се избират според конкретното приложение. Повечето канали могат да се отстраняват, за да предоставят достъп до тръбите. Най-често ползваният тип е т. нар. “похлупак”, който се използва, когато няма нужда от честа смяна на канала за проверки или почистване.

Каналът със свалящ се капак може да е фланцов или заварен към тръбната решетка. Фланците обикновено не се използват при топлообменници с голям диаметър на корпуса. Свалящият се капак позволява достъп до канала и тръбите за проверка и почистване, без за тази цел да се налага свалянето на самите тръби. Такъв капак се избира, когато има необходимост от чест достъп до вътрешната част.

Допълнителни разделители са необходими в канали на топлообменници с много вътрешни проходи. Преградните стени насочват флуида в тръбите през множество проходи, като обикновено броят на тези вътрешни проходи е по-малък от осем, но в някои случаи те могат да са и повече от това.

Множеството проходи позволяват максимално увеличаване на обмена на топлина в тръбите при ограничения като спад на налягането. Най-често топлообменниците, които работят с флуид между тръбите и корпуса, имат много на брой проходи, а топлообменниците с волуметрични дебити на газа между тръбите и корпуса имат един-единствен такъв проход.

Обичайни приложения

Кожухотръбните топлообменници са най-често използваният вид топлообменник в индустрията. Те могат да се произвеждат от широка гама материали - както метали, така и неметали. Кожухотръбните топлообменници могат да се проектират за работа при различни нива на налягането - от пълен вакуум до 6000 psi, както и температури от

-250 °C до 800 °C.

Този вид топлообменници могат да се използват почти при всички приложения за пренос на топлина, тъй като конструкцията им е по-издръжлива от тази на останалите топлообменници и може да понесе повече физическо натоварване и натоварване от процеси. За сметка на това те могат да не са най-икономичният или ефективен избор, особено за приложения, свързани с регенериране на топлината или за високо вискозни флуиди.

Кожухотръбните топлообменници се представят по-слабо, когато съществува позитивна температурна разлика между студен и горещ флуид на изхода от топлообменника (temperature cross), освен ако няколко топлообменника не се свържат в последователност. Обичайните приложения включват кондензатори, подгреватели, процесни нагреватели и охладители.

Замърсяване

Флуидите, които могат да причинят замърсяване, трябва да се съдържат в тръбите. Почистването на прави тръби е по-лесно от почистването на корпуса, дори и ако диаметърът на дупките на тръбната решетка е голям и те са пробити в квадратна схема за по-лесно почистване. Въпреки това конфигурацията на топлообменника оказва значително влияние за избора.

Използването на неподвижна тръбна решетка задължава използването на чист флуид от страната на корпуса, освен ако очакваното замърсяване не се отстранява лесно чрез химическо почистване, неподвижната тръбна решетка прави почистването на вътрешната страна на корпуса невъзможно.

За разлика от това, U-образните тръби са по-трудни за почистване от правите. В такъв случай употребата на типично замърсяващ флуид от страната на корпуса е по-подходящо, ако са предприети и мерки за намаляване на замърсяването като например монтаж на спираловидни прегради.