Кожухотрубный теплообменник

Кожухотрубный теплообменник – это класс конструкций теплообменников . ^[1]^[2] Это наиболее распространенный тип теплообменника на нефтеперерабатывающих заводах и других крупных химических процессах, который подходит для применений с высоким давлением. Как следует из названия, этот тип теплообменника состоит из корпуса (большого сосуда под давлением ) с пучком трубок внутри него. Одна жидкость протекает по трубкам, а другая жидкость течет по трубкам (через оболочку) для передачи тепла между двумя жидкостями. Совокупность трубок называется трубным пучком и может состоять из трубок нескольких типов: гладких, продольно-оребренных и т. д.

Теория и применение

Через теплообменник протекают две жидкости с разными начальными температурами. Один течет по трубкам (сторона трубки), а другой течет вне трубок, но внутри оболочки (сторона оболочки). Тепло передается от одной жидкости к другой через стенки трубы либо от стороны трубы к стороне корпуса, либо наоборот. Жидкости могут быть либо жидкостями , либо газами как со стороны корпуса, так и со стороны трубки. Для эффективной передачи тепла необходимо использовать большую площадь теплопередачи , что приводит к использованию большого количества трубок. Таким образом, отходящее тепло можно использовать . Это эффективный способ экономии энергии.

Теплообменники, имеющие только одну фазу (жидкость или газ) на каждой стороне, можно назвать однофазными или однофазными теплообменниками. Двухфазные теплообменники могут использоваться для нагрева жидкости и превращения ее в газ (пар), иногда называемые котлами , или для охлаждения паров и их конденсации в жидкость (называемые конденсаторами ), при этом фазовый переход обычно происходит на сторона оболочки. Котлы в локомотивах с паровыми двигателями обычно представляют собой большие кожухотрубные теплообменники цилиндрической формы. На крупных электростанциях с паровыми турбинами кожухотрубные поверхностные конденсаторы используются для конденсации выхлопного пара, выходящего из турбины, в водный конденсат , который возвращается обратно для превращения в пар в парогенераторе.

Они также используются в чиллерах с жидкостным охлаждением для передачи тепла между хладагентом и водой как в испарителе, так и в конденсаторе , а в чиллерах с воздушным охлаждением - только в испарителе.

Конструкция кожухотрубного теплообменника

Вариантов конструкции кожуха и трубки может быть множество. Обычно концы каждой трубки соединяются с камерами (иногда называемыми водяными камерами ) через отверстия в трубных решетках . Трубки могут быть прямыми или изогнутыми в форме буквы U, называемыми U-образными трубками.

На атомных электростанциях, называемых водо-водяными реакторами , большие теплообменники, называемые парогенераторами, представляют собой двухфазные кожухотрубные теплообменники, которые обычно имеют U-образные трубы. Они используются для кипячения воды, переработанной из поверхностного конденсатора, в пар, приводящий в движение турбину для производства электроэнергии. Большинство кожухотрубных теплообменников имеют 1-, 2- или 4-ходовую конструкцию со стороны трубы. Это относится к тому, сколько раз жидкость в трубках проходит через жидкость в оболочке. В однопроходном теплообменнике жидкость поступает в один конец каждой трубки и выходит из другого.

Поверхностные конденсаторы на электростанциях часто представляют собой одноходовые прямотрубные теплообменники (см. поверхностного конденсатора схему ). Распространены двух- и четырехходовые конструкции, поскольку жидкость может входить и выходить с одной и той же стороны. Это существенно упрощает строительство.

Часто имеются перегородки, направляющие поток через сторону корпуса, поэтому жидкость не проходит через стенку корпуса, оставляя неэффективные низкие объемы потока. Обычно они прикрепляются к пучку труб, а не к корпусу, чтобы пучок можно было снять для технического обслуживания.

Противоточные теплообменники наиболее эффективны, поскольку они обеспечивают самую высокую среднелогарифмическую разницу температур между горячим и холодным потоками. Однако многие компании не используют двухходовые теплообменники с U-образной трубкой, поскольку они могут легко сломаться, а также более дороги в изготовлении. можно использовать несколько теплообменников Часто для имитации противотока одного большого теплообменника .

Выбор материала трубки

Примеры пучков труб кожухотрубных теплообменников

Чтобы хорошо передавать тепло, материал трубки должен иметь хорошую теплопроводность . Поскольку тепло передается от горячей стороны к холодной через трубки, существует разница температур по ширине трубок. Из-за склонности материала трубки к различному тепловому расширению при различных температурах термические напряжения во время эксплуатации возникают . Это в дополнение к любому стрессу , вызванному высоким давлением самих жидкостей. Материал трубок также должен быть совместим с жидкостями как кожухотрубной стороны, так и в течение длительного времени в условиях эксплуатации ( температура , давление, pH и т. д.), чтобы свести к минимуму такие повреждения, как коррозия . Все эти требования требуют тщательного выбора прочных, теплопроводных, коррозионностойких, высококачественных трубных материалов, обычно металлов , включая алюминий , медный сплав , нержавеющую сталь , углеродистую сталь , цветной сплав меди, инконель , никель , хастеллой. и титан . ^[3] Фторполимеры, такие как перфторалкоксиалкан (PFA) и фторированный этиленпропилен (FEP), также используются для производства материала трубок из-за их высокой устойчивости к экстремальным температурам. ^[4] Неправильный выбор материала трубки может привести к утечке через трубку между сторонами кожуха и трубки, вызывая перекрестное загрязнение жидкости и, возможно, потерю давления.

Приложения и использование

Простая конструкция кожухотрубного теплообменника делает его идеальным решением для охлаждения для широкого спектра применений. Одним из наиболее распространенных применений является охлаждение гидравлической жидкости и масла в двигателях, трансмиссиях и гидравлических агрегатах . При правильном выборе материалов их также можно использовать для охлаждения или нагрева других сред, например, воды в бассейне или наддувочного воздуха. ^[5] Кожухотрубная технология имеет множество преимуществ перед пластинами.

Одним из больших преимуществ использования кожухотрубных теплообменников является то, что их часто легко обслуживать, особенно в моделях, в которых имеется плавающий пучок труб. ^[6](где трубные доски не приварены к наружной оболочке).
Цилиндрическая конструкция корпуса чрезвычайно устойчива к давлению и позволяет использовать все диапазоны давления.

Защита от избыточного давления

В кожухотрубных теплообменниках существует вероятность разрыва трубки, а также попадания жидкости высокого давления (ВД) на сторону низкого давления (НД) теплообменника и создания избыточного давления. ^[7] Обычная конфигурация теплообменников предполагает, что жидкость высокого давления находится в трубках, а вода низкого давления, охлаждающая или нагревательная среда находятся на стороне корпуса. Существует риск того, что разрыв трубки может поставить под угрозу целостность корпуса и привести к выбросу горючего газа или жидкости с риском для людей и финансовыми потерями. Корпус теплообменника должен быть защищен от избыточного давления с помощью разрывных дисков или предохранительных клапанов. Установлено, что время открытия защитных устройств имеет решающее значение для защиты теплообменника. ^[8] Такие устройства устанавливаются непосредственно на корпусе теплообменника и сбрасываются в систему сброса давления.

Трубы

Обзор

Кожухотрубные теплообменники являются неотъемлемыми компонентами теплотехники и в первую очередь используются для эффективной теплопередачи. Конструкция и расположение трубок внутри этих теплообменников имеют основополагающее значение для их работы и эффективности. ^[9] Точная конструкция и характеристики трубок кожухотрубных теплообменников подчеркивают сложность теплотехники . Каждый аспект конструкции, от выбора материала до расположения трубок и потока жидкости , играет жизненно важную роль в работе теплообменника, демонстрируя сложность и точность, необходимые в этой области. ^[9]

Спецификации и стандарты

Трубки в этих теплообменниках, часто называемые трубками конденсатора , отличаются от обычных водяных трубок. Они соответствуют стандарту Birmingham Wire Gage (BWG), который определяет конкретные размеры, такие как внешний диаметр . Например, трубка диаметром 1 дюйм согласно BWG будет иметь точный внешний диаметр 1 дюйм. ^[10] Подробные характеристики доступны в специализированных справочниках.

Материалы

Трубки изготавливаются из различных материалов, каждый из которых выбирается в зависимости от конкретных требований к системе, включая теплопроводность , прочность и устойчивость к коррозии . ^[9]

Расположение трубок

Расположение трубок является важным аспектом дизайна. Они располагаются в отверстиях, просверленных в трубных решетках, при этом расстояние между отверстиями, известное как шаг труб, является ключевым фактором как для структурной целостности , так и для эффективности. ^[9] Трубы обычно имеют квадратную или треугольную форму, а конкретные схемы их расположения подробно описаны в технических справочниках.

Количество трубок

Под количеством трубок понимается максимальное количество трубок, которые могут поместиться в кожух определенного диаметра без ослабления трубной решетки. ^[9] Этот аспект имеет решающее значение для обеспечения структурной целостности и эффективности теплообменника. Информацию о количестве трубок для корпусов различных размеров можно найти в специальной литературе.

Поток жидкости

В кожухотрубных теплообменниках используются два отдельных потока жидкости для передачи тепла . Трубная жидкость циркулирует внутри трубок, а оболочечная жидкость течет вокруг них, направляясь перегородками . Движение оболочки жидкости, будь то из стороны в сторону или вверх-вниз, а также количество проходов, которые она совершает по трубкам, контролируются сегментными перегородками, необходимыми для максимизации теплопередачи . эффективности ^[9] Эти аспекты подробно описаны в специальных ссылках.

Стандарты проектирования и строительства

Стандарты Ассоциации производителей трубчатых теплообменников (TEMA) , 10-е издание, 2019 г.
EN 13445-3 «Сосуды под давлением без обжига. Часть 3: Проектирование», раздел 13 (2012 г.)
Нормы ASME по котлам и сосудам под давлением , раздел VIII, раздел 1, часть UHX

См. также

Ссылки

^ Садик Какач и Хунтан Лю (2002). Теплообменники: выбор, рейтинг и тепловое проектирование (2-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 0-8493-0902-6 .
^ Перри, Роберт Х. и Грин, Дон В. (1984). Справочник инженеров-химиков Перри (6-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-049479-7 .
^ «Кожухотрубные теплообменники» . Проверено 8 мая 2009 г.
^ «Свойства PFA» (PDF) . www.flulotherm.com/ . Флуоротерм Полимерс, Инк . Проверено 4 ноября 2014 г.
^ «Применение и использование» . Проверено 25 января 2016 г.
^ Сильфоны корпуса теплообменника. Архивировано 5 октября 2018 г. в Wayback Machine Piping Technology and Products (получено в марте 2012 г.).
^ Энергетический институт (2015). Руководство по безопасному проектированию и эксплуатации кожухотрубных теплообменников, позволяющее выдерживать последствия выхода из строя трубок . Лондон: Энергетический институт.
^ Институт инженеров-химиков (21 марта 2018 г.). «Экранирующие теплообменники для сброса высокого перепада давления» . Институт инженеров-химиков . Проверено 24 января 2021 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Жанна, Уильям С. «Проектирование жидкостных тепловых систем», 4-е издание. ISBN 9781285859651.
^ Керн, DQ «Процесс теплопередачи», McGraw-Hill Book Co., 1950, стр. 843.

Внешние ссылки

[1] Садик Какач и Хунтан Лю (2002). Теплообменники: выбор, рейтинг и тепловое проектирование (2-е изд.). ЦРК Пресс. ISBN 0-8493-0902-6 .

[2] Перри, Роберт Х. и Грин, Дон В. (1984). Справочник инженеров-химиков Перри (6-е изд.). МакГроу-Хилл. ISBN 0-07-049479-7 .

[3] «Кожухотрубные теплообменники» . Проверено 8 мая 2009 г.

[4] «Свойства PFA» (PDF) . www.flulotherm.com/ . Флуоротерм Полимерс, Инк . Проверено 4 ноября 2014 г.

[5] «Применение и использование» . Проверено 25 января 2016 г.

[6] Сильфоны корпуса теплообменника. Архивировано 5 октября 2018 г. в Wayback Machine Piping Technology and Products (получено в марте 2012 г.).

[7] Энергетический институт (2015). Руководство по безопасному проектированию и эксплуатации кожухотрубных теплообменников, позволяющее выдерживать последствия выхода из строя трубок . Лондон: Энергетический институт.

[8] Институт инженеров-химиков (21 марта 2018 г.). «Экранирующие теплообменники для сброса высокого перепада давления» . Институт инженеров-химиков . Проверено 24 января 2021 г.

[dfts-9] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Жанна, Уильям С. «Проектирование жидкостных тепловых систем», 4-е издание. ISBN 9781285859651.

[10] Керн, DQ «Процесс теплопередачи», McGraw-Hill Book Co., 1950, стр. 843.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]