Навигация
Процессы теплопередачи лежат в основе многих промышленных технологий и систем инженерного обеспечения зданий. Они подразумевают передачу тепла от более к менее нагретому теплоносителю в результате смешения сред или их взаимодействия через разделительную поверхность. Последний (рекуперативный) принцип теплообмена получил наибольшее распространение. Для решения задач нагрева или охлаждения используют теплообменники различных типов и конструкций.
В статье подробно остановимся на кожухотрубных теплообменных аппаратах.
Как устроены кожухотрубные теплообменники
О том, что собой представляют кожухотрубные теплообменники, можно судить по названию устройств. Главный рабочий элемент таких аппаратов – трубный пучок. Это металлические тонкостенные трубы определенного диаметра, расположенные параллельно друг другу на некотором расстоянии.
Они могут быть:
- прямыми или U-образной конфигурации
- с гладкой или рифленой (с оребрением) поверхностью
- из меди, нержавеющей стали или другого металла
Трубы находятся в корпусе теплообменника и приварены к торцевым решеткам. Последние жестко крепятся к кожуху с одной или обеих сторон. Вариант с односторонней фиксацией предусматривают в конструкциях с плавающей головкой. Такое решение имеет значимые достоинства, поскольку позволяет металлическим трубам свободно деформироваться под воздействием температур без дополнительных напряжений.
Кожухотрубчатые теплообменники с U-образными трубками, например, аппараты серии Aalborg MX, обладают еще большими плюсами. Помимо отсутствия температурных напряжений, они отличаются высокой стойкостью к протечкам благодаря меньшему числу сварных соединений, за счет изогнутой формы труб. Теплообменники этого типа идеально подходят для нагрева и охлаждения масла либо воды.
Решение с рифлением трубной поверхности позволяет оптимизировать теплообмен, ввиду увеличенной теплообменной площади и более турбулентного потока. Кроме того, ребра дополнительно служат распорками между рядами, обеспечивая стабильное положение пучка. А повышенная турбулентность потока способствует самоочищению труб, уменьшая накопления на внутренних поверхностях. Оребрение выполняют путем накатки или навивки ленты. Наглядный пример аппаратов с оребренными трубами – линейка Alfa Laval Cetetube, разработанная для систем отопления, вентиляции и ГВС.
Помимо цилиндрического кожуха (корпуса) и трубного пучка, конструкция кожухотрубных теплообменников включает другие базовые компоненты. К ним относятся решетки, также называемые досками, торцевые крышки, дренажный штуцер. Для подключения к аппарату трубопроводов предусматриваются входные и выходные патрубки отдельно для двух теплоносителей.
Кроме стандартных компонентов, теплообменники могут включать дополнительные детали. Например, поперечные перегородки, устанавливаемые внутри аппарата. С их помощью создают многоходовую схему для ускорения движения потока и увеличения турбулентности. Дополнительно такие перегородки выполняют опорные функции, предотвращая прогиб труб.
Теплообменные устройства с корпусом небольшого диаметра, предназначенные для работы при небольших давлениях, могут оснащаться компенсатором. Так, как это предусмотрено в аппаратах Alfa Laval ViscoLine. Компенсатор – конструктивный элемент, который поглощает напряжения, возникающие при тепловом расширении. Его установка позволяет расширять диапазон рабочих температур, но одновременно ограничивает параметры давления.
Как работает кожухотрубный теплообменник
Принцип действия кожухотрубчатых теплообменников аналогичен работе теплообменных аппаратов поверхностного (рекуперативного) типа. Но в отличие от пластинчатых устройств (разборных и паяных), кожухотрубные имеют не плоскую, а трубчатую поверхность теплообмена, что отражается на их конструкции и тепловой эффективности. В целом такое оборудование работает следующим образом.
Разделение рабочих сред и их движение
Рабочие среды, участвующие в процессах теплообмена, разделены благодаря герметичной конструкции теплообменника. Один теплоноситель проходит через внутренние трубки (трубный пучок). Второй циркулирует в межтрубном пространстве, заключенном между внешней поверхностью труб и внутренней стенкой кожуха. Направление движения сред может быть:
- прямоточным – оба теплоносителя движутся в одном направлении
- противоточным – перемещение осуществляется в противоположных направлениях, что увеличивает термодинамическую эффективность
- перекрестным – направление одной среды пересекает направление другой под углом (обычно используется в многопроходных конструкциях)
Теплопередача
Основной механизм теплообмена состоит в передаче тепла через стенки трубок и включает следующие этапы:
- конвекция на внутренней поверхности труб – горячая или холодная среда, находящаяся внутри труб, передает тепловую энергию к внутренней стенке трубок, посредством конвективного теплообмена
- теплопроводность через материал труб – тепло распространяется через толщину трубной стенки от внутренней к внешней поверхности
- конвекция на внешней поверхности труб – тепловая энергия передается от внешней трубной поверхности среде, движущейся в межтрубном пространстве
Термодинамические процессы
Передача тепла между средами происходит в соответствии с градиентом температуры. При этом горячий теплоноситель теряет тепловую энергию, а холодный ее принимает. Количество передаваемой энергии определяется уравнением теплопередачи:
Q = k ⋅ A ⋅ ΔTср,
где:
Q – передаваемая тепловая мощность, Вт;
k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·°С);
А – площадь поверхности теплообмена, м²;
ΔTср – средняя разность температур между средами.
В зависимости от режима течения потока (Re – число Рейнольдса), теплообмен может быть ламинарным или турбулентным, что существенно влияет на коэффициенты теплоотдачи.
Влияние конструктивных элементов
Перегородки внутри кожуха направляют поток, увеличивая турбулентность и время его контакта с теплообменной поверхностью. Это улучшает теплопередачу за счет увеличения коэффициента теплоотдачи. Кроме того, многопроходная схема позволяет среде многократно пересекать зоны теплообмена, что также повышает общую эффективность.
Очевидный вывод. Кожухотрубный теплообменник – это высокоэффективное оборудование, которое обеспечивает контролируемое движение рабочих сред и оптимальное использование тепловой энергии.