Теплообменник труба в трубе: Теплообменники труба в трубе для нагрева и охлаждения рабочей среды

расчет и проектирование, конструкция, таблица коэффициентов

Главная » Назначение » Отопление

На чтение 5 мин

Типовые теплообменники (труба в трубе) предназначены для решения всего одной задачи – изменения температуры транспортируемой среды. Проще говоря: теплообменник нужен для охлаждения или нагрева прокачиваемых сквозь трубопровод жидкостей или газов.

Потребности в контроле температуры транспортируемой среды могут возникнуть в процессе эксплуатации любого трубопровода. В итоге, теплообменники типа «труба в трубе» можно встретить и в домашних сетях, и в промышленных линиях. Поэтому в данной статье мы рассмотрим конструкцию и методику расчета подобных устройств. С учетом распространенности теплообменников эта информация будет интересна самому широкому кругу читателей.

Содержание

1. Теплообменные устройства: общие сведения
2. Виды теплообменников
3. Конструкция теплообменника (труба в трубе)
4. Преимущества теплообменников «труба в трубе»
5. Недостатки теплообменников
6. Расчет и проектирование теплообменников «труба в трубе»

Теплообменные устройства: общие сведения

Работа теплообменника связана с необходимостью нагреть или охладить среду, циркулирующую в трубопроводе.

Поэтому все подобные устройства делятся на:

• Охладители – аппараты, снижающие температуру транспортируемой среды, за счет нагрева жидкости или газа в теплообменнике;
• Нагреватели – аппараты, повышающие температуру транспортируемой среды, за счет охлаждения циркулирующей в теплообменнике среды.

Схема работы первых устройств – охладителей – предполагает введение в теплообменник жидкости или газа с очень низкой температурой. И после контакта холодного теплообменника и разогретой среды в трубопроводе их температуры начнут выравниваться – циркулирующий в теплообменной сети теплоноситель нагреется, а прокачиваемая по трубопроводу среда – охладится.

Схема работы вторых устройств – нагревателей – основана на обратном эффекте. То есть, в теплообменник подается перегретая жидкость (или газ), которая нагреет транспортируемую по трубопроводу среду.

Виды теплообменников

По конструктивному исполнению теплообменные аппараты первого и второго типа (охладители и нагреватели) делятся на:

• Поверхностные устройства, теплообмен в которых происходит за счет контакта сред через стенку (поверхность).
• Регенеративные системы, которые поддерживают попеременную подачу в насадку-теплообменник то холодной, то горячей среды.
• Смесительные системы, основанные на прямом впрыске холодной или разогретой среды в трубопровод, транспортирующий жидкость или газ.

Причем самым простым и эффективным вариантом обеспечивающего тепловой обмен  устройства является поверхностная схема типа «труба в трубе»

. И далее по тексту мы рассмотрим конструкцию именно такого аппарата.

Конструкция теплообменника (труба в трубе)

Спроектированные по принципу «труба в трубе» аппараты характеризуются следующими особенностями конструкции:

• Во-первых, такие устройства предполагает пакетную компоновку, когда несколько объединенных звеньев располагаются практически бок обок.
• Во-вторых, как устройства поверхностного типа, придерживающиеся принципа труба в трубе теплообменники, собираются путем инсталляции в трубопровод пакета труб меньшего диаметра, сквозь который будет пропускаться охлаждающая или нагревающая среда.
• В-третьих, исходя из принципа непрерывности, трубы теплообменников должны пронизывать внутреннее пространство трубопровода по всей длине транспортирующей системы. Причем для обеспечения ремонта сборку труб и теплообменника, и трубопровода реализуют с помощью разъемных соединений. То есть, всю конструкцию можно разобрать и собрать в любой момент.
• В-четвертых, сечение трубы в транспортирующем канале должно быть больше сечения трубы в канале теплообменника. Ведь помимо возможности инсталлировать теплообменник в трубопровод такое соотношение габаритов позволяет разогнать теплоноситель в охлаждающей или нагревающей системе до максимальной скорости.
• В-пятых, непрерывная схема «труба в трубе» дает возможность прокачивать сквозь систему любой объем транспортируемой жидкости или теплоносителя.

Преимущества теплообменников «труба в трубе»

Опираясь на описанные выше конструктивные особенности, подобные теплообменники приобретают следующий набор преимуществ:

• Такой аппарат гарантирует оптимальный режим транспортировки жидкости. Ведь скорость течения теплоносителя и транспортируемой среды может быть практически любой. Ну а возможные недостатки можно откалибровать путем подбора диаметров труб теплообменника прямо в процессе сборки.
• Теплообменные аппараты  подобного типа не требуют особого внимания в процессе эксплуатации – чистка труб теплообменника и транспортной системы выполняется за считанные минуты. Кроме того, в случае поломки эти устройства можно отремонтировать за пару часов, путем демонтажа поврежденного модуля (отрезка) и установки новой  детали с аналогичными характеристиками.
• Подобная конструкция не имеет ограничений по типу среды, используемой в системе транспортировки или теплообмена. То есть, сквозь подобный теплообменник можно прокачивать и воду, и пар, и вязкие жидкости, и газообразные среды.

Недостатки теплообменников

Впрочем, упомянутые выше особенности конструкции теплообменника являются причиной не только достоинств, но и недостатков.

Причем к числу недостатков схемы «труба в трубе» можно причислить следующее:

• Довольно значительные габариты системы. Ведь внутри транспортирующего канала размещается трубопровод теплообменника, в итоге, для сохранения прежней пропускной способности нужно увеличить диаметр основной (наружной) трубы.
• Высокую стоимость подобной системы. На создание такого теплообменника расходуется достаточно большой объем металла. А сам процесс сборки систем типа труба в трубе» требует привлечения квалифицированных и дорогостоящих специалистов.
• Сложный процесс расчета и проектирования подобных конструкций.

Причем последнему пункту следует уделить особое внимание. Поэтому далее по тексту мы рассмотрим нюансы процесса расчета и проектирования таких аппаратов.

Расчет и проектирование теплообменников «труба в трубе»

Процесс создания любого аппарата начинается с расчета его рабочих параметров и последующего проектирования устройства, способного реализовать эти параметры на практике.

Поэтому расчет теплообменника труба в трубе начинается с подбора конструкционного материала для системы транспортировки охлаждающей или нагревающей жидкости. Ведь теплопроводность трубы теплообменника будет зависеть именно от типа материала, из которого изготовят данную деталь.

Помимо конструкционного материала в проектировании теплообменников придется принять во внимание еще и такие параметры, как:

• Площадь поверхности теплообменника, которая зависит от габаритов «внутренней» трубы. Причем, чем больше площадь, тем эффективнее теплообмен.
• Разницу в температурах теплоносителя и транспортируемой среды. С ростом этой величины увеличивается эффективность теплообмена.
• Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи в системе, которые будут зависеть от множества параметров.
• Гидравлические характеристики работы системы транспортировки теплоносителя, зависящие от формы трубопроводов.
• Механическую прочность внешней и внутренней трубы, определяемую характеристиками трубного проката, задействованного в процессе сборки трубопровода.

Словом, расчет и проектирование – это очень сложная задача, выполнить которую может далеко не каждое конструкторское бюро. Поэтому в процессе сборки бытовых теплообменников лучше всего ориентироваться на табличные и справочные данные, увязывающие предполагаемые рабочие параметры с реальными габаритами труб и формами трубопроводов.

Теплообменник труба в трубе. Расчет в Excel.

Опубликовано 28 Фев 2016
Рубрика: Теплотехника | 65 комментариев

(Статья дополнена P. S. (20.10.2019).)

Для нагрева холодной воды (разумеется, без смешивания) от системы отопления используются теплообменные аппараты — рекуператоры, в которых две среды движутся в своих полостях, разделенные металлической стенкой. …

…Горячая вода системы отопления, остывая, через стенку нагревает холодную воду в системе горячего водоснабжения.

Из рекуператоров наибольшее распространение получили пластинчатые и кожухотрубчатые теплообменники, которые широко используются не только в коммунальном хозяйстве, но и в первую очередь в различных отраслях промышленности и энергетики. При этом в качестве греющих и нагреваемых сред могут быть самые разнообразные жидкости и газы.

Пластинчатые теплообменники компактнее и эффективнее «древних советских» кожухотрубчатых рекуператоров, однако, последние более просты в изготовлении и в несколько раз дешевле. А некоторые современные образцы отечественных кожухотрубных теплообменников обыгрывают в разы по всем статьям западные пластинчатые аналоги (rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=341).

Теплообменник «труба в трубе» – это простейший вариант кожухотрубного аппарата.

В этой статье представлен алгоритм и теплотехнический расчет в Excel водо-водяного теплообменника типа «труба в трубе». Если греющая и нагреваемая среды — не вода, то некоторые исходные данные и формулы, использованные в программе, требуется существенно изменить!

Водо-водяной теплообменник «труба в трубе». Расчет в Excel.

На рисунке, представленном ниже, внутренняя труба является теплообменной, а наружная – кожуховой. Греющая вода движется слева направо и остывает, отдавая тепло через стенку внутренней трубы нагреваемой воде. Нагреваемая вода движется справа налево и нагревается.

Снаружи аппарат теплоизолирован. В расчете далее условно принято, что теплоизоляция обеспечивает абсолютное отсутствие теплообмена между наружной трубой и окружающей средой.

Если наружная труба не изолируется, то в расчете необходимо учесть потери тепла окружающему пространству. Как это сделать, можно посмотреть здесь.

Изображенная на рисунке схема движения жидкостей называется противотоком – нагреваемая вода движется навстречу греющей. Прямотоком, соответственно, будет движение потоков в одном направлении.

Из скриншота программы очевидно, что пользователю нужно заполнить светло-бирюзовые и бледно-зеленые ячейки исходными данными и в светло-желтых ячейках считать результаты вычислений.

Расчет в Excel теплообменника «труба в трубе» выполняется по нижеприведенному алгоритму.

i=1 – для греющей воды и внутренней стенки теплообменной трубы

i=2 – для нагреваемой воды и внешней стенки теплообменной трубы

x=1 – при прямотоке

x=2 – при противотоке

9. Средняя температура воды

t_i=(t_iвх+t_iвых)/2

10. Средняя температура поверхностей стенки внутренней теплообменной трубы в первом приближении

t_ст1=t_ст2=(t₁+t₂)/2

11.  Передаваемая тепловая мощность

N=G₂*C_p*(t_2вых-t_2вх)

8. Температура греющей воды на выходе

t_1вых=t_1вх-N/(G₁*C_p)

12. Средняя плотность воды

ρ_i=-0,003*t_i²-0,1511*t_i+1003,1

13. Среднее значение коэффициента кинематической вязкости воды

ν_i=0,0178/(1+0,0337*t_i+0,000221*t_i²)/10000

14.  Среднее значение коэффициента теплопроводности воды

λ_i=0,581+0,0012*t_i

15. Среднее значение критерия Прандтля для воды

Pr_i=7,5-0,0694*t_i

16. Скорость движения воды во внутренней трубе и в кольцевом пространстве наружной трубы

v₁=G₁/(π*d₁²/4)/ρ₁

v₂=G₂/(π*(d₂²-D₁²)/4)/ρ₂

Желательно чтобы скорость движения воды находилась в диапазоне 0,25…2,5 м/с. Большие значения из диапазона предпочтительнее с точки зрения увеличения турбулентности потока и, следовательно, коэффициента теплоотдачи, но не предпочтительны с точки зрения увеличения гидравлического сопротивления системы, требующего насосы повышенных мощностей.

17. Число Рейнольдса для греющего и нагреваемого потоков

Re₁=v₁*d₁/ν₁

Re₂=v₂*(d₂— D₁)/ν₂

Режим течения воды по трубам должен быть турбулентным, т.е. Re>2300 (еще лучше, если Re>10000).

18. Среднее значение критерия Прандтля для внутренней и внешней поверхностей стенки теплообменной внутренней трубы

Pr_стi=7,5-0,0694*t_стi

19. Критерий Нуссельта со стороны греющей и со стороны нагреваемой воды

Nu₁=0,021*Re₁^0,8*Pr₁^0,43*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25

Nu₂=0,017*Re₂^0,8*Pr₂^0,4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25*(d₂/D₁)^0,18

20.  Коэффициент теплоотдачи от греющей воды стенке и от стенки нагреваемой воде

α₁=Nu₁*λ₁/d₁

α₂=Nu₂*λ₂/(d₂-D₁)

21. Коэффициент теплопередачи

K=1/(1/α₁+((D1— d1)/2)/λ_ст-1/α₂)

22. Максимальный температурный напор

Если x=1 (прямоток), то

Δt_max=t_1вх— t_2вх

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых>t_1вых— t_2вх, то

Δt_max=t_1вх— t_2вых

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых<t_1вых— t_2вх, то

Δt_max=t_1вых— t_2вх

23.  Минимальный температурный напор

Если x=1 (прямоток), то

Δt_min=t_1вых— t_2вых

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых<t_1вых— t_2вх, то

Δt_min=t_1вх— t_2вых

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых>t_1вых— t_2вх, то

Δt_min=t_1вых— t_2вх

24.  Среднелогарифмический температурный напор

Δt_ср=(Δt_max— Δt_min)/ln(Δt_max/Δt_min)

25. Плотность теплового потока

q=K*Δt_ср

10*. Теперь следует вернуться к пункту 10 и вычислить средние температуры поверхностей стенки внутренней теплообменной трубы во втором приближении по новым формулам

t_ст1=t₁-q/α₁

t_ст2=t₂+q/α₂

!!! С новыми значениями температур поверхностей стенки нужно заново выполнить расчеты по пунктам 18-21 и 25 и опять пересчитать значения t_ст1 и t_ст2 в третьем приближении…

В представленной программе расчет в Excel выполняется 6 раз. Для точности необходимой на практике обычно бывает достаточно выполнить 2 или 3 приближения.

26. Площадь поверхности нагрева

F=N/q

27. Расчетная длина нагревателя

L=F/(π*d₁)

28. Диаметры присоединительных патрубков

d_пi=(3600*Gi/(π*v_max*ρ_i))^0,5/30

В расчете максимальная скорость воды v_max принята равной 1,8 м/c. При необходимости можно ее увеличить до 2,5 м/с или принять равной скорости движения воды по теплообменнику.

На этом теплотехнический расчет в Excel теплообменника «труба в трубе» можно считать завершенным. Гидравлический расчет поможет выполнить эта статья на блоге.

Отложения, образующиеся в процессе эксплуатации на поверхностях стенки внутренней теплообменной трубы, существенно влияют на коэффициент теплопередачи и могут со временем в 1,5-2 раза снизить эффективность работы любого теплообменника. Рассмотренный расчет в Excel это не учитывает.

Заключение.

Посмотрите небольшое видео о работе в представленной программе, которое поможет быстрее понять логику алгоритма и некоторых штатных приемов работы в Excel.

Теперь, считая теплообменник «труба в трубе», вы, уважаемые читатели, избавлены от рутинных ручных расчетов, и у вас будет больше времени на техническое творчество.

Ссылка на скачивание файла: teploobmennik-truba-v-trube (xls 111KB)

P. S. (20.10.2019)

Решил попробовать повысить точность вычислений и занялся переработкой алгоритма. В итоге в новый вариант программы внесены следующие изменения:

1. В исходных данных добавился еще один параметр – давление воды (P_i). Хотя существенного влияния на теплофизические параметры воды давление не оказывает, но всё же…

2. Средняя температура воды в трубах (t_i) вычисляется по уточненному алгоритму. Для потока, в котором температура воды изменяется меньше, она определяется как среднеарифметическая: t_i=(t_iвх+t_iвых)/2. Для потока, в котором температура от входа до выхода изменяется больше, средняя температура определяется как сумма или разность среднеарифметической температуры другого потока и среднелогарифмического напора: t_j=t_i±Δt_ср.

3. Теплофизические параметры воды – плотность (ρ_i), коэффициент кинематической вязкости (ν_i), коэффициент теплопроводности (λ_i), критерий Прандтля (Pr_i), изменяющиеся от температуры и давления, теперь определяются с помощью пользовательских функций Полковова Вячеслава Леонидовича с более высокой точностью.

4. Попытался расширить диапазон применения программы. К турбулентному режиму (Re>10000) добавил переходный режим течения (2300<Re<10000). При этом столкнулся с отсутствием относительно точных формул для этого режима течения жидкости по трубам.

Важнейший критерий Нуссельта (Nu), необходимый для определения коэффициента теплоотдачи (α), вычисляется по нижеприведенным формулам, которые были выбраны после долгого и тщательного анализа существующих критериальных зависимостей, предложенных Михеевым М.

А., Исаченко В.П., Кутателадзе С.С., Петуховым Б.С., В. Гниелински. Так как в расчетах никак не учитывается шероховатость поверхностей труб и степень их загрязненности, то предпочтение было отдано выражениям, которые выдают при прочих равных меньшие значения критерия Нуссельта.

Для потока воды в круглом сечении внутренней трубы:

• При 2300<Re<10000:

Nu₁=K₀₁*Pr₁^0,43*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25

где:

К₀₁=-0,002*(Re₁/1000)⁴+0,0633*(Re₁/1000)³-0,854*(Re₁/1000)²+8,7529*(Re₁/1000) -12,639

• При Re>10000:

Nu₁=0,021*Re₁^0,8*Pr₁^0,43*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25

Для потока воды в кольцевом сечении межтрубного пространства:

• При 2300<Re<10000:

Nu₂=K₀₂*Nu»₂+(1- K₀₂)*Nu’₂

где:

К₀₂=(Re₂-2300)/(10000-2300)

Nu’₂=4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25  /при Re=2300/

Nu»₂=0,017*10000^0,8*Pr₂^0,4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25*(d₂/D₁)^0,18  /при Re=10000/

• При Re>10000:

Nu₂=0,017*Re₂^0,8*Pr₂^0,4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25*(d₂/D₁)^0,18

Определяющим размером для кругового сечения является диаметр d₁, для кольцевого сечения – эквивалентный диаметр d_экв=d₂-D₁. Определяющая температура – средняя температура потока t_i.

5. Расчет теплопередачи выполнен по формулам для цилиндрической стенки без упрощений, примененных ранее, где использовались зависимости для плоской стенки.

Линейный коэффициент теплопередачи (K_L) вычисляется по формуле:

K_L=1/(1/(α₁*d₁)+1/(2*λ_ст)*LN (D₁/d₁)+1/(α₂*D₁))

Линейная плотность теплового потока (q_L):

q_L=K_L*Δt_ср*π

6. Расчетная длина нагревателя (L):

L=N/q_L

Температуры поверхностей стенок (t_стi), как и ранее, определяются  шестью итерациями, чего более чем достаточно для обеспечения абсолютной точности вычислений.

Четыре важных замечания:

1. При проектировании теплообменников переходного режима течения жидкостей следует, все-таки, стремиться избегать по причине низкого значения коэффициента теплоотдачи (α_i) и значительной погрешности существующих методик расчетов.

2. По данным открытых источников расхождение результатов экспериментов и расчетов по примененным в новой версии программы формулам находится в весьма широких пределах ±20%.

3. На скриншотах в основной статье и в P. S. показаны примеры расчетов с одинаковыми исходными данными. Расчетная длина нагревателя, полученная по старой программе, на 25% меньше, чем по обновленной версии! Это обусловлено в первую очередь тем, что для потока в кольцевом сечении при переходном режиме была не совсем правомерно применена формула для турбулентного течения.

4. Программа тестировалась на примере задачи 12-2 из Задачника по теплопередаче (Краснощеков Е.А., Сукомел А.С., 1980, стр. 219-222). Расхождение результатов — расчетных длин — 1,2%. При этом в Задачнике расчет выполнен по упрощенным формулам и без итераций.

Ссылка на скачивание файла с обновленной программой:

teploobmennik-truba-v-trube-2(xls 156KB)

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Полное руководство по различным типам теплообменников

С таким количеством различных типов теплообменников, доступных на рынке практически для каждой отрасли, может быть трудно отслеживать все различные конструкции теплообменников и то, что отличает каждый из них. .

Наши инженеры IPC проектируют, поставляют и монтируют практически все типы теплообменников уже более 20 лет, поэтому можно с уверенностью сказать, что мы кое-что знаем о различных конструкциях, схемах потоков и промышленных применениях систем теплообменников. .

От противоточных кожухотрубных теплообменников до пластинчатых теплообменников с двойным тиснением — наше полезное руководство поможет вам понять все, что вам нужно знать о любой системе теплообмена, представленной на рынке. !

Кожухотрубные теплообменники

Одним из наиболее распространенных типов теплообменников, с которыми вы столкнетесь сегодня, являются кожухотрубные теплообменники. Этот термин охватывает любой тип системы теплообмена, в которой жидкость или газ проходят через ряд труб, заключенных в большую металлическую оболочку.

Эта конструкция классифицируется как многотрубный теплообменник из-за множества внутренних труб, содержащихся внутри кожуха. Вы также можете приобрести кожухотрубные теплообменники двух основных типов: конструкцию с одинарной трубной решеткой и конструкцию с двойной трубной решеткой.

Под трубной решеткой понимается круглая перфорированная пластина на конце теплообменника, которая поддерживает трубы, а конструкция определяется наличием одной или двух таких трубных решеток на конце кожуха.

Холодная или горячая жидкость или газ будут проходить через внутренние трубы, в то время как жидкость или газ противоположной температуры будут проходить через большую окружающую трубу, где будет происходить теплообмен. Как мы вскоре расскажем, поток этих жидкостей и газов может происходить в трех основных направлениях: параллельном, поперечном и встречном потоках.

Эти типы теплообменников обычно используются в системах с высоким давлением или в условиях вакуума, когда конструкция должна выдерживать высокие уровни нагрузки.

Поскольку вещества полностью содержатся внутри кожухотрубной конструкции, этот тип системы теплообмена подходит для использования с вредными и опасными газами, которые необходимо предотвратить от попадания в атмосферу.

Они также позволяют обрабатывать более вязкие жидкости, содержащие волокна или твердые частицы, благодаря ширине трубок. Это может сделать его пригодным для использования, включая обмен пюре, лосьонов, молочных продуктов средней вязкости, напитков с мякотью, воды для инъекций, охлаждения масла и производства пара.

Направления потока

Теплообменники с поперечным потоком

Эти теплообменники сконструированы таким образом, что жидкости или газы в системе теплопередачи текут перпендикулярно друг другу. Этот метод теплообмена обычно используется, когда одна трубка содержит жидкость, а другая содержит газ, при этом газ может подниматься вверх, когда жидкость прокачивается вертикально через трубы.

Теплообменники с поперечным потоком также широко используются в конденсаторах пара, где в конце процесса жидкость испаряется в газ. Другие распространенные примеры включают автомобильные радиаторы, где окружающий воздух используется для охлаждения охлаждающей жидкости двигателя, и змеевики испарителя кондиционера.

Параллельные теплообменники

Эти системы, также известные как прямоточные теплообменники, спроектированы таким образом, что жидкость, проходящая через трубы, течет в том же направлении, что и жидкость во внешней оболочке. Этот поток наиболее распространен в двухтрубных теплообменниках, но его также можно наблюдать в кожухотрубных теплообменниках.

Поскольку эта конструкция лучше всего подходит для жидкостей с небольшим температурным зазором, для поддержания эффективного уровня теплопередачи обычно требуется большая площадь поверхности переноса. Это может привести к тому, что параллельные системы теплообмена будут занимать больше площади, что не идеально для небольших предприятий.

Кроме того, если разница температур на входе в теплообменник слишком велика, могут возникнуть вибрации, которые могут привести к повреждению оборудования.

Противоточные теплообменники

В противоточной системе жидкость поступает с обоих концов теплообменника и течет в противоположных направлениях навстречу друг другу. Эти системы, также называемые теплообменниками-рекуператорами, в основном используются из-за их высокой эффективности теплопередачи.

Поскольку холодная жидкость выходит там, где входит горячая жидкость, скорость процесса теплообмена увеличивается, и холодная жидкость может достигать более высоких температур в целом. Это снижает перепад температур на трубных решетках, а также снижает тепловую нагрузку на оборудование, снижая вероятность его сотрясения и повреждения по сравнению с прямоточными теплообменниками

Двухтрубные теплообменники

В то время как кожухотрубный теплообменник имеет большое количество параллельных труб, содержащихся в его оболочке, двухтрубный теплообменник состоит только из двух трубок, каждая из которых имеет разный диаметр.

Меньшая трубка находится внутри большей, причем одна содержит горячее вещество, а другая — холодное. Вся теплопередача происходит внутри большей трубы в процессе теплопроводности.

Концентрическая конструкция означает, что теплообмен между жидкостью или газом происходит через проводящий барьер, такой как сталь или алюминий, без физического смешивания веществ. Эти конструкции, обычно используемые в противоточных системах, также могут использоваться в приложениях, требующих параллельного потока.

Двухтрубные теплообменники обычно представляют собой однотрубные теплообменники (также называемые «труба в трубе»), которые содержат внешнюю оболочку и одну внутреннюю трубу. Однако, в зависимости от отрасли и требований, они также могут быть адаптированы к модели с кольцевой трубой, в которой используются три или четыре концентрические трубы для предотвращения наслоения продуктов.

Эти конструкции обычно подходят для небольших установок, где площадь теплопередачи составляет менее 45-50 квадратных метров. Поскольку несколько блоков могут быть установлены параллельно друг другу или установлены вертикально, двухтрубные теплообменники могут сэкономить место на полу, обеспечивая при этом большую скорость потока и эффективную теплопередачу.

Двухтрубный теплообменник используется в различных областях, включая бойлеры и компрессоры, нефтеперерабатывающие заводы, очистку сточных вод, системы охлаждения, а также охлаждение и обогрев в технологических системах.

Скребковые теплообменники

Эти типы систем трубчатых теплообменников специально разработаны для удаления продукта с внутренней стенки канала с помощью вращающихся лопастей, что обеспечивает равномерную теплопередачу по всей системе.

Роторы вращают вещества в одном направлении по всему теплообменнику, при этом продукт входит с одной стороны и выходит с другой. Конструкция скребковых теплообменников делает их идеальными для высоковязких или вязких продуктов, которые в противном случае могут осесть внутри теплообменных трубок.

Скребковые лезвия могут быть изготовлены из различных материалов для удовлетворения различных требований обработки и предназначены для бережного обращения с продуктом, чтобы избежать повреждений и сохранить качество и консистенцию продукта

Скребковые теплообменники обычно используются для широкого спектра применений в пищевой, химической и фармацевтической промышленности, включая обработанные пищевые продукты, вязкие продукты, термочувствительные продукты, кристаллизующиеся продукты и продукты с фазовым переходом (такие как сахарные концентраты и пиво) , продукты с твердыми частицами и продукты с липкой консистенцией, такие как тушь для ресниц и зубная паста.

Теплообменники с воздушным охлаждением

Теплообменники с воздушным охлаждением передают тепло от технологической жидкости окружающему воздуху. Жидкость содержится в теплопроводных ребристых трубах, а электрические охлаждающие вентиляторы используются для подачи либо принудительного, либо искусственного охлаждающего воздуха, в зависимости от того, проталкивается или втягивается воздух между трубками.

Эти типы теплообменников более безопасны для окружающей среды, чем теплообменники с водяным охлаждением, поскольку они не требуют постоянного вспомогательного водоснабжения, что также может снизить эксплуатационные расходы и затраты на техническое обслуживание. Они также устраняют риск термического и химического загрязнения, которое может быть вызвано охлаждающими жидкостями, используемыми в теплообменниках с водяным охлаждением.

Обычно используемые для технологического охлаждения и/или конденсации, теплообменные системы с воздушным охлаждением обычно можно найти на атомных электростанциях, нефтеперерабатывающих заводах, нефтехимических заводах, заводах по переработке природного газа, компрессорных станциях и многих других промышленных объектах.

Теплообменники с водяным охлаждением

Теплообменные системы с водяным охлаждением предназначены для отвода нежелательного тепла от процесса путем передачи его воде или водно-гликолевому раствору антифриза при температуре окружающей среды.

Теплообменник этого типа обеспечивает уровни охлаждения, которых не может достичь теплообменник с воздушным охлаждением, так как он ограничен условиями окружающего климата. Они также более эффективно передают и удаляют нежелательное тепло.

Существует множество областей применения теплообменников с водяным охлаждением, включая конденсацию пара и охлаждение технологических жидкостей, нефти и газа.

Пластинчатые теплообменники

Эти системы, также называемые «пластинчатыми теплообменниками с прокладками» и «пластинчато-рамными теплообменниками», работают путем пропускания жидкостей или паров через ряд параллельных пластин, снабженных эластомерными прокладками, спрессованными рядом друг с другом.

Пластины с прокладками свисают с несущей планки и удерживаются в вертикальном положении с помощью направляющей планки, а серия пластин сжимается болтами между пластиной рамы и прижимной пластиной.

Горячие и холодные вещества движутся по чередующимся каналам с передачей тепла от более теплого канала к более холодному. Прокладки контролируют переменный поток жидкости по поверхностям пластин.

Конструкция пластинчатых и рамных теплообменников позволяет легко выполнять очистку и изменение пропускной способности, поскольку при необходимости пластины можно просто снять или добавить. Ремонт и техническое обслуживание также упрощаются, так как любые поврежденные зажимные пластины можно снять и заменить в процессе, называемом повторной прокладкой.

Системы теплообмена с пластинчатыми уплотнениями часто используются в жидкостно-жидкостных системах, где две жидкости не могут смешиваться, например, при использовании воды для охлаждения масла или при использовании горячей технологической воды, содержащей химические вещества и загрязняющие вещества, для нагрева чистой воды в система централизованного теплоснабжения.

Они также лучше всего подходят для охлаждения и нагревания продуктов с низкой и средней вязкостью, практически без твердых частиц, таких как мороженое, молоко и другие напитки.

Паяные пластинчатые теплообменники

Паяные пластинчатые теплообменники имеют конструкцию, аналогичную разборным пластинчатым теплообменникам, однако гофрированные пластины уложены вместе и полностью герметизированы с использованием процесса, называемого сваркой плавлением, для повышения эффективности теплопередачи.

Паяные пластинчатые теплообменники очень компактны и могут быть на 90 % меньше других пластинчатых теплообменников, что делает их идеальными для небольших помещений. Прочная конструкция и пайка прокладок также делают их немного более эффективными за счет снижения потерь тепла, а также сведения к минимуму риска любых утечек.

Паяные пластинчатые теплообменники широко используются в испарителях и конденсаторах холодильников, охладителях сжатого воздуха, системах нагрева воды и плавательных бассейнов, разделительных пластинах котлов, системах солнечного отопления и тепловых насосах из-за их небольшого объема и высокой эффективности теплопередачи.

Пластинчатые теплообменники

Эти теплообменники, также известные как пластинчатые теплообменники с углублениями, состоят из двух полностью сваренных металлических пластин. Затем листы надуваются, в результате чего два листа оказывают давление и вызывают деформацию материала, создавая полость для теплоносителя.

Пластинчатые теплообменники могут быть с одинарным или двойным тиснением. Когда базовая пластина значительно толще верхней пластины, создается одиночная рельефная пластина-подушка, в результате чего более тонкая верхняя пластина деформируется, а базовая пластина остается неизменной. Наоборот, пластина с двойным тиснением создается, когда обе пластины деформируются, образуя одинаковые карманы.

Поскольку обменная система полностью сварная, исключается риск утечки жидкости или газа. Использование тонких листов для изготовления пластин также делает пластинчатые теплообменники с ямками более дешевым вариантом благодаря низким затратам на материалы.

Подушки с одинарным тиснением подходят для нагрева и охлаждения с использованием широкого спектра реагентов, включая воду, пар, гликоль и масло, что делает их идеальными для использования в пищевой и перерабатывающей промышленности. Подушки с двойным тиснением имеют гораздо более широкий спектр подходящих применений и могут использоваться с такими реагентами, как фреон и CO2, их можно использовать в погружных нагревателях, банках льда и многих других промышленных системах охлаждения.

Теплообменники отработавших газов

Теплообменники отработавших газов служат в качестве установок утилизации отработанного тепла, извлекая тепловую энергию от выхлопных газов поршневого дизельного, газового или биогазового двигателя и передавая ее в водяной контур.

Этот метод теплообмена и рекуперации подходит для использования с различными видами топлива, включая природный газ, водород, канализационный газ и специальные газы, биогаз, а также дизельное топливо и большинство других видов жидкого топлива.

Системы теплообмена отработавших газов, которые становятся все более популярными в связи с ростом цен на энергоносители, также являются более безопасными для окружающей среды, помогая предприятиям сократить выбросы CO2 и предотвратить потери тепла от дымовых газов.

Теплообменники этого типа, обычно устанавливаемые в пекарнях, закалочных и перерабатывающих заводах, также используются в опасных средах для повышения безопасности за счет снижения температуры выхлопных газов некоторых двигателей.

Регенеративные теплообменники

Регенеративные теплообменники чередуют потоки горячей и холодной жидкости через одну трубу через равные промежутки времени, сохраняя тепло от горячей жидкости в теплоаккумулирующей среде перед передачей ее холодной жидкости.

Этот метод теплопередачи значительно увеличивает тепловую эффективность отводимого тепла, так как количество топлива, необходимого для процесса, уменьшается.

Хотя это может показаться похожим на противоточный теплообменник, в регенеративных теплообменниках используется одна и та же расходомерная трубка для обеих жидкостей, тогда как противоточная система разделяет жидкости на две отдельные трубки, и поток обеих жидкостей происходит одновременно.

Регенеративные теплообменники идеально подходят для теплообмена газ-газ, когда нет необходимости полностью разделять вещества. Эти типы теплообменников обычно используются для повышения эффективности котлов высокого давления и мартеновских печей, а также в различных химических и промышленных применениях.

Промышленное энергетическое охлаждение Теплообменные услуги

Надеюсь, теперь вы лучше понимаете различные типы и разновидности доступных систем теплообмена, а также различные области применения каждой из них в вашей отрасли.

Новая система теплообменника может принести пользу вашему бизнесу по многим причинам, включая повышение безопасности, сохранность продукции и повышение энергоэффективности.

Если вы заинтересованы в установке промышленного теплообменника на своей территории, вы можете связаться с одним из наших сотрудников онлайн или ознакомиться с различными теплообменниками, которые мы предлагаем на нашем веб-сайте!

Кожухотрубный теплообменник: что нужно знать

Профилактическое обслуживание

5 октября 2021 г.

Райан Уолдрон

Теплообменники позволяют передавать энергию от одной среды к другой. Вы можете использовать эту передачу энергии для процессов охлаждения или нагрева. Сегодня мы обсудим важные аспекты, которые необходимо знать при обслуживании кожухотрубного теплообменника.

[Информацию о пластинчатых теплообменниках см. в этой статье]

Кожухотрубные теплообменники

имеют несколько трубок, установленных внутри кожуха. Одна жидкость течет по трубам (сторона трубы), а другая течет по внешней стороне труб (сторона кожуха). Перегородки используются со стороны кожуха для увеличения турбулентности, предотвращения застоя и улучшения скорости теплопередачи.

Методы технического обслуживания будут различаться в зависимости от жидкости, используемой в системе. Например, когда вода находится в системе, у вас могут быть разные задачи обслуживания в зависимости от содержания минералов в воде.

Загрязнение — враг

Пример биологического загрязнения. Кредит Фотографии: Водные Технологии

Загрязнение является врагом многих теплообменников. Если на трубы начинает покрываться накипь, эффективность установки резко падает. Теплопередача ухудшается по мере усугубления загрязнения. Наблюдая за увеличением перепадов давления или снижением производительности оборудования, вы можете обнаружить загрязнение на ранней стадии.

Обрастание может проявляться во многих формах. По данным CSI Designs, «наиболее часто встречающиеся типы загрязнения и старения в гигиенической обработке делятся на четыре основных типа:

• Накипь:  накопление корки или покрытия из перерабатываемых жидкостей, минералов или чистящих средств на поверхности деталей теплообменника.
• Накипь:  тип накипи, вызванный карбонатом кальция, сульфатом кальция и силикатами.
• Осадок:  происходит из продуктов коррозии, оксидов металлов, ила, глинозема и двухатомных организмов (микроводорослей) и их экскрементов.
• Биологический рост:  Источники биологического обрастания включают бактерии, нематоды и простейшие».

Устранение засоров трубок

Необходимо регулярно выполнять очистку трубок, чтобы обеспечить эффективность устройства. В зависимости от жидкостей, используемых в кожухотрубном теплообменнике, частота этой очистки может меняться.

Если имеется скопление слизи или водорослей, можно смыть их водой под высоким давлением (гидроструйная очистка). Для более крупных отложений шлама и более жестких отложений может потребоваться использование механического метода очистки.

При этом используются проволочные щетки или скребки. Вы можете рассмотреть «пробку» как форму очистки теплообменников меньшего размера. При использовании механического метода очистки необходимо соблюдать осторожность, чтобы не повредить ни одну из трубок чрезмерным усилием.

Наконец, если отложения стойкие, используйте моющие или химические очистители. При использовании химикатов важно помнить, что химикат совместим с трубками, которые он очищает.

Визуальный осмотр

После очистки труб визуально осмотрите систему на предмет утечек, трещин или коррозии. Использование красителя является распространенным способом обнаружения утечек в системе. Вы также можете обнаружить утечки, подав давление на кожух системы. Это позволит протолкнуть воздух через трубы, где присутствуют утечки.

Если используются расходуемые аноды, обязательно осмотрите и эти пластины во время визуального осмотра. Хорошее эмпирическое правило заключается в том, что если тарелка съедена более чем на 50%, ее следует заменить.

Устранение утечек

Утечки могут возникать по ряду причин и могут вызывать перекрестное загрязнение жидкостей. Термическая усталость часто является причиной и результатом чрезмерного перепада температур в кожухе и трубах. Ниже приведены несколько способов устранения утечек в кожухотрубных теплообменниках.

Ремонт труб и трубных досок

Пример чрезмерного засорения

Когда уплотнение трубки к трубной решетке ослабнет, вы можете начать с повторной скручивания трубки. Если это невозможно из-за пределов расширения, может потребоваться наплавка или сварка. Если течи обнаружены на самой трубной решетке, для устранения проблемы обычно требуется сварка.

Заглушки трубок

Заглушив трубку, вы предотвратите влияние утечки на остальную часть системы. Однако это изменяет общую скорость потока и снижает эффективность системы. Это может быть хорошим временным решением, но вы всегда должны стараться ограничивать использование подключаемых модулей в вашей системе.

Замена трубки

По мере старения трубок имеет смысл удалить старые трубки и заменить их новыми. Однако для этого потребуется, чтобы устройство было отключено в течение длительного периода времени.

Контрольный список обслуживания кожухотрубных теплообменников

• Сброс давления в блоке
• Очистка коллекторов и зачистка трубных решеток
• Очистите трубы от любых засоров (это может также повлечь за собой использование кислот, воды под высоким давлением, буровых штанг, скребков, кальцитовых очистителей или средств для удаления накипи) 
• Визуальная проверка на наличие утечек
• Заменить прокладки
• Проверка точности манометра и термометра
• Проверьте и очистите сетчатые фильтры, если они есть.
• Проверить предохранительные устройства
• При необходимости очищайте внешние поверхности
• Проверка работы отстойника
• Затяните все механические соединения с рекомендуемым моментом затяжки

Преимущества и недостатки

Согласно статье, написанной Savree, преимущества и недостатки по сравнению с пластинчатым теплообменником следующие:

Преимущества

• Дешевле по сравнению с пластинчатыми теплообменниками.
• Относительно простая конструкция и простота обслуживания.
• Подходит для более высоких давлений и температур по сравнению с пластинчатыми теплообменниками.
• Падение давления (дельта P/ΔP) меньше, чем у пластинчатого теплообменника.
•  Легко найти и изолировать протекающие трубы.
Трубы
• могут иметь «двойные стенки», чтобы снизить вероятность просачивания межтрубной жидкости в межтрубную жидкость (или наоборот).
• Простые в установке расходуемые аноды.
•  Не так легко загрязняются, как пластинчатые теплообменники.

 Недостатки

• Менее эффективен, чем пластинчатые теплообменники.
• Требуется больше места для открытия и извлечения пробирок.
• Холодопроизводительность нельзя увеличить, но можно увеличить пластинчатый теплообменник.

О НАС

Rasmussen Mechanical Services является лидером отрасли; универсальный магазин с полным спектром услуг для всех механических услуг.

Имея 10 отделов, 7 офисов и более 200 сотрудников, Rasmussen Mechanical обладает обширным опытом в области коммерческого, промышленного и институционального механического оборудования.

No related posts.