Кожухотрубные теплообменники, как и теплообменные аппараты других видов, предназначены для передачи тепловой энергии от одной среды (теплоносителя) другой среде. В кожухотрубном теплообменнике этот процесс осуществляется посредством непрямого контакта: первый теплоноситель проходит сквозь совокупность тонкостенных труб (трубный пучок), размещённых внутри герметичного кожуха с током второго теплоносителя.

Эффективность кожухотрубного теплообменника, технические характеристики конкретного агрегата зависят от целого набора параметров. Все эти параметры так или иначе взаимосвязаны и рассчитываются в совокупности.

Взаимные связи

К наиболее важным характеристикам можно отнести интенсивность процесса теплообмена, тепловую мощность теплообменника – количество теплоты, которое он способен передать (забрать) за единицу времени. Она традиционно измеряется в гигакалориях (Гкал) или киловаттах (кВт) в час и, в первую очередь, связана с разницей температур теплоносителей – теплоотдающей и тепловоспринимающей сред – на входе теплообменного аппарата. Чем больше разница, тем больше энергии один теплоноситель теоретически сможет передать другому.

На практике, кроме температуры, определяющее значение имеют и другие физические величины.

1. Площадь поверхности теплообмена. В случае с кожухотрубным теплообменником она равна совокупной площади внешней поверхности всех труб трубного пучка. Увеличение площади ведёт к увеличению интенсивности теплоотдачи.

Сделать это можно тремя способами:

  • скомпоновав пучок из максимально возможного количества труб (ведёт к увеличению диаметра кожуха теплообменника);
  • увеличив длину труб и, соответственно общую длину всего агрегата;
  • увеличив площадь поверхности каждой трубы, сделав её «гофрированной», волнообразной.
Технические характеристики кожухотрубного теплообменника. Рис. 1

2. Теплопроводность и теплоёмкость. Поскольку тепловая энергия передаётся от одной среды к другой опосредовано, через промежуточный агент – материал стенок труб – для лучшей теплоотдачи они должны быть изготовлены из сплава, быстро и с минимальными потерями пропускающими тепло (высокая теплопроводность) и не накапливающего, не задерживающего её (низкая теплоёмкость).

Одним из вариантов увеличить теплопроводность и одновременно снизить теплоёмкость является уменьшение толщины стенок труб. Однако, при утончении стенок снижается способность труб выдерживать давление теплопроводящей среды, а от давления в системе зависит ещё один параметр – скорость прохождения теплоносителя.

3. Время и вектор контакта. Они напрямую зависят от скорости и направления прохождения теплоносителей сквозь обменник. Здесь есть нюанс:

  • с одной стороны, скорость должна быть достаточно медленной, чтобы греющая среда успела отдать тепло нагреваемой;
  • с другой стороны, чем выше скорость, тем больше тепловой энергии в общей сложности пройдёт через обменник и, соответственно, увеличится общая тепловая нагрузка.

Кроме того,

  • однонаправленное движение теплоносителей («прямоток») менее эффективно, нежели встречное движение («противоток»);
  • перпендикулярное движение («перекрёстный ток») для кожухотрубных теплообменных аппаратов является наиболее эффективным.

Для оптимизации времени и вектора контакта теплоносителей в устройстве кожухотрубного теплообменника применяются различные технические ухищрения:

  • поперечные перегородки в кожухе, чтобы внешний теплоноситель омывал трубы не прямолинейным прямоточным или противоточным, а зигзагообразным перекрёстным движением, обеспечивая нужный вектор контакта;
  • продольные перегородки в распределительных камерах (для двух-, четырёхходовых и т.д. теплообменников), чтобы внутренний теплоноситель проходил вдоль теплообменника дважды (четырежды и т.д.), увеличивая тем самым время контакта.
Технические характеристики кожухотрубного теплообменника. Рис. 2

Дополнительные нюансы

Значительное влияние на характеристики теплового обмена оказывают также физические параметры самих теплоносителей:

  • более плотная и, как следствие – теплоёмкая среда, способна переносить большее количество тепловой энергии;
  • плотные среды обладают также лучшей теплопроводностью;
  • в то же время, большая плотность и вязкость означает большее давление и меньшую скорость прохождения.

Имеет значение и химический состав теплоносителей: в случае содержания в них растворённых солей и прочих примесей, которые могут образовывать отложения на внешних и внутренних поверхностях труб, значительно снижается упомянутая выше теплопроводность стенок труб и, как следствие, общая эффективность теплообменника. Установка грязевых фильтров, контроль состава носителей и своевременная очистка теплообменников помогают поддерживать их оптимальные характеристики.

Состав теплоносителей также обуславливает химическую и/или электрохимическую коррозию материалов труб и кожуха теплообменника; правильный подбор совместимых материалов значительно увеличивает срок его службы. Также для увеличения эксплуатационного периода требуется исключение влияния гидравлических и акустических вибраций, иных негативных факторов.

Кроме перечисленных, нельзя не упомянуть и габаритные, установочные параметры: длину и высоту корпуса, диаметр входных и выходных штуцеров и др.

АО «ЦЭЭВТ» осуществляет расчёт характеристик теплообменника под конкретные условия эксплуатации с учётом всех, без исключения, параметров – физических, химических, практических и прочих. Такой индивидуальный подход позволяет производить теплообменные аппараты с оптимальными эксплуатационными свойствами и максимально возможным для оборудования такого класса сроком службы.