Кожухотръбни топлообменници

Подходящи са за експлоатация при тежки условия

Кожухотръбните топлообменници са едни от най-разпространените и широко използвани топлообменни апарати. Те намират приложение в различни индустриални области. Подходящи са за протичане на топлообменни и термохимични процеси между различни среди под формата на течност, газ или пара като процесите могат да протичат със или без промяна в агрегатното им състояние. Често приложение на кожухотръбните топлообменници е в качеството им на кондензатори, изпарители, подгреватели. Те са широко използвани в нефтената промишленост, където се изискват топлообменници с възможност за работа при тежки условия. Използват се и като кондензатори и изпарители за различните фракции на суровия петрол и съпътстващите органични течности.

Конструктивни особености

Конструктивно кожухотръбните топлообменници представляват цилиндричен кожух във вътрешността на който е разположен сноп от топлообменни тръби, захванати в тръбни решетки. Топлообменът между двата флуида протича през стените на тръбите, като единият от флуидите преминава през самите тръби, а другият протича в междутръбното пространство. В краищата си кожухът се затваря с капаци, които в зависимост от конструкцията на апарата са снабдени с прегради за обръщане на посоката на флуида преминаващ през тръбите. Кожусите на различните конструкции апарати се различават основно по начина на присъединяване на тръбните решетки и капаците. Дебелината на стената на кожуха се определя в зависимост от налягането на работната среда и диаметъра на самия кожух, но обикновено се приема не по-малка от 4 мм. Тръбното и междутръбното пространство в тези апарати е разделено с прегради за обособяването на няколко хода в топлообменника, което подобрява топлообмена. Отличителна характеристика на тези топлообменници е голямата топлообменна повърхност, която може да варира от няколкостотин квадратни сантиметра до няколко хиляди квадратни метра. Обикновено проходното сечение на междутръбното пространство е с от 2,5 до 3 пъти по-голямо от проходното сечение на тръбите.

Според конструктивното си изпълнение и начина на монтаж кожухотръбните топлообменници могат да бъдат вертикално и хоризонтално изпълнение, а в някои приложния се използват и наклонени апарати. Наблюдава се известно предпочитание към апаратите вертикално изпълнение, поради по-малкото място, което заемат. Обикновено, с цел улесняване на монтажа и експлоатацията се препоръчва максималната дължина на тръбите да не надхвърля 5 m. В кожухотръбните топлообменници могат да бъдат използвани прави или извити тръби

Формата на извитите тръби обикновено е U-образна, но се срещат и тръби с W-образна форма. Диаметърът на тръбите обикновено варира в диапазона от 12 до 57 мм, като се предпочитат стоманените безшевни тръби. Предимство на топлообменниците с прави тръби е по-лесното им почистване в сравнение с тези с извити тръби.

Характерна особеност на кожухотръбните топлообменници с извити тръби е, че входът и изходът на тръбите са от една и съща страна на топлообменника. Те се считат за много подходящи при флуиди с голяма разлика в температурата, тъй като позволяват тръбите и кожуха да се свиват и разширяват независимо.

Правотокови, противотокови и топлообменници с кръстосан ток

В зависимост от посоката на протичане на двата потока, кожухотръбните топлообменници биват правотокови, противотокови и с кръстосан ток. Според редица специалисти, противотоковите топлообменници се характеризират с по-добра ефективност в сравнение с останалите при по-малка топлообменна повърхност. Също така, в зависимост от броя на ходовете, кожухотръбните топлообменници обикновено биват с един, два и четири хода, но се срещат конструкции и с друг брой ходове. Принципно, топлообменниците с извити тръби, поради завъртането на тръбите автоматично биват двуходови. Изборът на определена конфигурация кожухотръбен топлообменник оказва влияние върху коефициента на топлопредаване, което се отразява и на необходимата топлообменна повърхност на тръбите.

Температурна компенсация

Кожухът и тръбите на апаратите обикновено се изпълняват от различни материали. При работа те се нагряват до различна температура, което при топлообменниците с по-голяма дължина налага предвиждането на мерки за компенсация на температурните деформации.

Обикновено, при едноходовите топлообменници с прави тръби, при които тръбите и кожухът са свързани с неподвижни тръбни решетки, няма възможност за температурна компенсация при топлинно удължение. Подобни апарати се характеризират с несложно устройство, но са подходящи в случаите, при които температурата на корпуса на топлообменника и температурата на снопа тръби не се различават съществено. Допуска се разлика не по-висока от 50 оС.

Подобни топлообменни апарати се характеризират и със сравнително нисък коефициент на топлопредаване поради ниската скорост на топлоносителя в междутръбното пространство. В повечето случаи кожухотръбните топлообменници се използват в условия, при които разликата в температурите на корпуса и тръбите е значителна. Пример за подобен случай е при топлообмен между течност и пара. По принцип парата преминава през междутръбното пространство, а течността - през тръбите. Поради голямата разлика в температурите се налага използването на компенсиращи устройства като линзови, салникови или силфонни компенсатори.

Използвано решение

за отстраняване на напрежението в метала, следствие от топлинното удължение, е изготвянето на еднокамерни топлообменници с извити U- и W-образни тръби. Те се препоръчват, обаче, предимно при високи налягания на топлоносителя, тъй като направата на водната камера и закрепянето на тръбите към тръбната решетка в апаратите с високо налягане е сложна и скъпа операция. Като цяло, топлообменните апарати с извити тръби не се използват широко поради трудностите, свързани с изготвянето на самите тръби с различни радиуси на извивките, сложността на тяхната подмяна и неудобното почистване. От друга страна използването на компенсационни устройства също създава някои неудобства. Част от компенсаторите са сложни за изпълнение като силфонните, например. В същото време, линзовите и салниковите се считат за не особено надеждни при експлоатация. За добро решение се считат т. нар. кожухотръбни топлообменници, при които едната тръбна решетка е закрепена неподвижно, докато другата е подвижна.

Срещат се и конструкции кожухотръбни топлообменни апарати с напречно разположени тръби, характеризиращи се с повишен коефициент на топлопредаване поради напречното движение на топлоносителя спрямо сноповете тръби. В някои случаи при протичане на газ в междутръбното пространство и течност в тръбите на топлообменника, за повишаване коефициента на топлоотдаване се използват напречно оребрени тръби.

Експлоатационни проблеми

Кожухотръбните топлообменници са традиционно използвани в петролните рафинерии, химически заводи и често през тях преминават опасни флуиди, което налага предприемането на мерки за предотвратяване на евентуални течове. Методите са свързани с предотвратяване на причините, които могат да доведат до повреда на топлообменника. Като възможни причини се посочват запушване на тръбите, възникване на вибрации, повреда на използваните уплътнения, корозия. Отлагането на замърсявания по тръбите намалява тяхната ефективност и с течение на времето води и до тяхното запушване. В този случай тръбата може да прегрее и това може да доведе до скъсване на връзката между тръбата и тръбната решетка. Сериозна опасност от запушване на тръбите съществува при топлообменниците с извити тръби, тъй като флуидът преминаващ през тях, прави 180-градусов завой. Причините за наличие на вибрации в топлообменника често са свързани със самия флуид, преминаващ през тръбите на топлообменника. По тази причина често се предприемат мерки за ограничаване на скоростта му на постъпване в топлообменника. Проблемът с уплътненията обикновено е свързан с тяхното стареене с течение на времето.