Конструкция кожухотрубного (второе написание – кожухотрубчатого) теплообменника предполагает размещение внутри герметичного кожуха определённого количества тонкостенных труб – трубного пучка. Трубы закрепляются на специальных элементах – трубных решётках, которые, в свою очередь, фиксируются с внутренней стороны кожуха. В зависимости от способа фиксации трубной решётки и трубного пучка, наличии на корпусе теплообменника дополнительных элементов, от конфигурации труб в пучке различаются типы кожухотрубчатых теплообменников.

Базовое устройство и классификация теплообменников

Принципиальная схема кожухотрубного теплообменника не зависит от его типа: два теплоносителя подаются через входные фланцы и проходят сквозь теплообменник, не смешиваясь: один – сквозь трубный пучок, другой – внутри корпуса, омывая при этом трубы с первым теплоносителем. В процессе происходит передача тепловой энергии от одного теплоносителя другому сквозь стенки труб трубного пучка. Существует технологический нюанс: нагрев или охлаждение теплоносителя вызывает температурную деформацию, расширение или сжатие, элементов теплообменника – труб, трубной решётки, корпуса.

Если разница температур невелика, то и деформация незначительна. При существенной разнице возникает механическое напряжение в местах соединения элементов с различной температурой, что может привести к повреждению этих соединений или самих элементов. Для смягчения этого эффекта применяются некоторые модификации базового устройства кожухотрубного теплообменника.

Принятая техническая классификация подразумевает использование буквенных обозначений «Н», «К», «П», «У» и «ПК» для различных типов кожухотрубчатых теплообменников:

  • тип «Н» – с неподвижно закреплёнными трубными решётками;
  • тип «П» – с «плавающей» головкой;
  • тип «К» – с температурными компенсаторами на кожухе;
  • тип «ПК» – с «плавающей» головкой плюс компенсаторы на ней;
  • тип «У» – с трубами, напоминающими формой латинскую букву «U»

Модификации конструкции обуславливают не только температурные технические характеристики агрегата, но и нюансы обслуживания при эксплуатации кожухотрубного теплообменника.

1. Тип «Н».

В агрегате данного типа трубные решётки в количестве 2-х шт. с закреплёнными в них противоположными концами труб фиксируются в корпусе теплообменника неподвижно. Трубы имеют прямую форму; отверстия труб выходят в противостоящие друг другу распределительные камеры, закреплённые на корпусе фланцевым соединением. Подача и вывод теплоносителей осуществляются через штуцеры на кожухе и распределительных камерах (в случае многоходовых теплообменников – на передней камере).

Типы кожухотрубных теплообменников. Схема 6

К достоинствам данной конструкции можно причислить прежде всего её простоту и, как следствие, отсутствие дополнительных этапов при производстве, влияющих на общую стоимость агрегата. Малое количество деталей придаёт агрегату дополнительную надёжность и упрощает техническое обслуживание. В качестве дополнительного преимущества можно упомянуть возможность механической очистки внутренней поверхности труб, для осуществления которой достаточно снять распределительные камеры с кожуха.

Ввиду отсутствия элементов, компенсирующих температурные деформации материала труб и кожуха, теплообменники типа «Н» рассчитаны на использование в условиях, когда с разница температур теплоносителей не превышает 50 градусов Цельсия. Однако, для большинства производственных и хозяйственных нужд такой диапазон достаточен; недорогие и надёжные, кожухотрубные теплообменники типа «Н» являются наиболее распространёнными и используются в качестве водо-водяных подогревателейохладителей воды и маслаиспарителейконденсаторов и др.

2. Тип «П».

В отличие от типа «Н», в теплообменниках типа «П» (с плавающей головкой) одна из трубных решёток не закрепляется на кожухе, и может в определённых пределах двигаться вдоль него. Таким образом, появляется некоторая свобода для удлинения или сжатия труб под влиянием нагрева или охлаждения. Для обеспечения герметичности системы прохождения теплоносителя, подвижная решётка снабжается собственной крышкой, образующей вместе с решёткой «плавающую» головку (распределительную камеру), давшую название данному типу теплообменников.

Типы кожухотрубных теплообменников. Схема 2

Поскольку распределительная камера пусть незначительно, но смещается относительно корпуса, размещение выпускного штуцера на ней не представляется возможным; в случае необходимости именно такого подключения можно выбрать конструкцию типа «ПК» (плавающая головка с компенсатором, см. п. 4).

Теплообменники с плавающей головкой рассчитаны на эксплуатацию при разнице в температурах рабочих сред в 100 и более градусов Цельсия, благодаря чему могут использоваться для специфического круга задач.

3. Тип «К».

При нагреве или охлаждении температурные деформации характерны не только для внутренних элементов теплообменника, но и для его кожуха. Для их нивелирования на агрегатах типа «К» предусмотрены компенсаторы различных видов – линзовые, сильфонные и др. Они представляют собой ∩-, П- или С-образные полые кольцевые выступы, охватывающие кожух обменника и пружинно расширяющиеся или сжимающиеся при изменении температуры кожуха.

Типы кожухотрубных теплообменников. Схема 3

Использование компенсаторов на кожухе значительно увеличивает температурный диапазон теплообменников «К» в сравнении с агрегатами типа «Н». Но, поскольку компенсаторы выполняются, как правило, методом вваривания сложных фигурных кольцевых элементов в разрез корпуса, увеличивается и себестоимость таких теплообменников; наличие сварных швов усложняет процесс производства и тестирования агрегата.

4. Тип «ПК».

Компенсаторы могут устанавливаться не только на кожух обменника, но и на плавающую головку; точнее – на её выводной штуцер (см. абз. 2 п. 2). Принцип действия таких компенсаторов принципиально аналогичен компенсаторам типа «К» с той разницей, что

  • демпфируют они сжатие/расширение не кожуха, а трубного пучка;
  • диаметральный размер компенсаторов и толщина их стенок меньше;
  • устанавливаются они обычно последовательностью в несколько штук.

Типы кожухотрубных теплообменников. Схема 4

Достоинством данного типа агрегатов является их полужёсткая конструкция с возможностью осевого подключения систем подачи/вывода теплоносителя. Недостатком – усложнённость и увеличенная стоимость конструкции. При этом, меньшая толщина стенок компенсаторов и наличие сварных швов не оказывает решающего влияния на эксплуатационные характеристики агрегатов типа «ПК», так как учитывается при первоначальном расчёте теплообменника.

5. Тип «У».

В теплообменниках данного типа, в отличие от всех перечисленных выше видов, используются не прямые, а U-образные трубы, которые за счёт своей формы компенсируют температурное расширение материала. Трубная решётка одна; распределительная камера также одна, разделённая на две части – вводную и выпускную.

Типы кожухотрубных теплообменников. Схема 5

Достоинством такой конструкции является её относительная простота, сравнимая с простотой агрегатов типа «Н». Недостатками являются затруднённость механической очистки внутренней поверхности труб и то, что замена единственной трубы в случае её повреждения, как правило, требует полного демонтажа всех остальных труб пучка, что экономически не оправдано. Кроме того, форма труб усложняет их плотное взаимное размещение, что сказывается на характеристиках теплоотдачи. Тем не менее, теплообменники типа «У», как и агрегаты типа «ПК», находят применение для выполнения определённых задач.

Следует отметить, что при равных соотношениях площадей и одинаковом материале труб трубного пучка, все типы теплообменников будут обладать фактически равнозначными показателями теплообмена. Подбор кожухотрубного теплообменника (для новой линии или взамен выработавшего свой ресурс агрегата) в данном случае должен осуществляться по другим параметрам – температурной разнице сред, принципу подключения к системе подачи/отвода теплоносителей и предельному расчётному давлению в системе. Предпочтительными в данном случае являются современные теплообменники, рассчитанные и произведенные на специальном оборудовании, по индивидуальному заказу, с учётом абсолютно всех технологических нюансов.

Типы кожухотрубных теплообменников. Схема 6