Главной целью теплообменника (ТО) является передача тепла от носителя (вещества с высоким показателем температуры) до холодного объекта. Примером теплоносителя может являться газ, жидкость и пар. Для решения этой задачи в различных условиях было разработано множество видов теплообменников, которые делятся на:
1) смесовые — обмен теплом происходит путем смешивания рабочих сред (в нефтехимии не применяются);
2) поверхностные — рабочие среды обмениваются тепловой энергией через стенку герметичного контура, в котором они циркулируют.
Кожухотрубные теплообменники (рис. 2) относятся к наиболее распространенным. Их применяют в промышленности и транспорте в качестве нагревателей, конденсаторов, охладителей, для различных жидких и газообразных сред.
В общем выпуске теплообменных аппаратов для нефтехимической и смежных отраслей промышленности в РФ около 80 % занимают кожухотрубные теплообменники. Эти теплообменники довольно просты в изготовлении и надежны в эксплуатации и в то же время достаточно универсальны. Основными элементами кожухотрубного теплообменника являются кожух (корпус), трубный пучок, камеры-крышки, патрубки, запорная и регулирующая арматура, контрольная аппаратура, опоры, каркас. Кожух аппарата сваривают в виде цилиндра из одного или нескольких обычно стальных листов. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды в межтрубном пространстве и диаметром аппарата. Днища камер могут быть сферическими сварными, эллиптическими штампованными и реже — плоскими.
Достоинства:
- высокие рабочие давления и температуры;
- не нужны уплотнительные прокладки.
Недостатки:
- подвержены засорению;
- процесс прочистки трудоемок;
- большие размеры и вес.
Пластинчатые теплообменные аппараты (рис. 3) пришли на смену классическим кожухотрубным. Состав этого вида приборов подразумевает соединение крепежных болтов, концевых камер, рамы и рабочей пластины. Последние элементы разделены специальными резиновыми прокладками. Их изготавливают из специальной стали. Технология монтажа пластин подразумевает установку резиновой прокладки без использования клеевых смесей, которая позволяет плотно прилегать отдельным частям друг к другу. Схема подачи рабочей среды может иметь три варианта: прямоточную, смешанную и противоточную. Конструкция пластинчатого теплообменника зависит от модификации устройства и может содержать различное количество пластин с закрепленными на них прокладками, герметизирующими каналы с протекающим по ним теплоносителем. Для достижения требуемой по условию герметичности плотности прилегания пар соседних прокладок одной к другой достаточно скрепления этих двух пластин с неподвижной плитой.
Кожухопластинчатые теплообменники (КПТ) (рис. 4 и 4.1) вобрали в себя лучшие качества своих прародителей, максимально избавившись от присущих тем недостатков. Этот тип теплообменников сочетает в себе лучшие черты пластинчатого и кожухотрубного теплообменников — эффективность первого и безопасность второго.
Достоинства:
- компактность;
- малая подверженность засорению.
Недостатки:
- не предназначены для работы со средами под высокими давлениями и температурами;
- необходимы прокладки-уплотнители.
Тепловая мощность кожухопластинчатого теплообменника (кожух + сварной круглый регистр) определяется требуемыми параметрами теплоносителя (производительность, расход, теплофизические свойства и т. п.) как с нагреваемой, так и с греющей сторон. Коэффициент теплопередачи определяется также режимом течения теплообменных сред и, в частности, скоростью потока в каналах теплообменника. Поэтому при конструировании профилей каналов в пакете пластин находились оптимальные соотношения скоростей потоков для обеспечения максимальной теплоотдачи к поверхности пластины и минимальных потерь давления.
Кожухопластинчатые теплообменные аппараты имеют ряд неоспоримых преимуществ:
* высокий коэффициент теплопередачи;
* компактность конструкции при большой площади теплообменной поверхности;
* отсутствие уплотняющих прокладок;
* широкий диапазон рабочих температур от –150 до +800 °C;
* максимальное рабочее давление до 20 МПа;
* разборный (обслуживаемый) корпус, цельносварной пакет теплопередающих пластин;
* высокая устойчивость к гидроударам;
* возможность изготовления из коррозионностойких сталей, титана, SMO и Hastelloy;
* различные профили проточных каналов, в том числе с большим проходным сечением для теплообменных сред с возможными механическими примесями или для вязких сред;
* высокая компоновочная способность за счет относительно малых габаритных размеров;
* возможность реализации многопоточности теплообменных сред (несколько контуров) в одном корпусе;
* легкая очистка наружной теплообменной поверхности с применением моющих аппаратов высокого давления;
* высокая эксплуатационная пригодность с малыми затратами;
* гарантированный расчетный срок службы не менее 40 лет.
Для кожухопластинчатых теплообменников разработаны пластины с увеличенной в 1,5 раза глубиной и шириной профиля канала, который составляет 8,8 мм, что обеспечивает значительное снижение потерь давления при течении жидкости. Гидравлическое сопротивление потока жидкости с внешней стороны пакета пластин значительно ниже, чем у разборных пластинчатых теплообменников, где оба потока движутся по узким каналам, поскольку кожухопластинчатый теплообменник является аппаратом объемного типа и скорость потока в кожухе относительно мала.
Пакет пластин для кожухопластинчатого теплообменника выполнен полностью сварным, что значительно повышает надежность аппарата при работе с давлением теплообменных сред до 200 бар (рабочее давление), причем как с внутренней, так и с наружной стороны пакета пластин. Корпус (кожух) теплообменника может быть выполнен как в разборном варианте с выдвижным пакетом пластин, закрепленным на передней крышке, так и в полностью сварном варианте, при этом уплотнение обеспечивается без использования уплотняющих прокладок (лабиринтные уплотнения).
Поскольку пакет пластин выполнен на сварке, он образует некую подвижную конструкцию в виде гармошки (как сильфонный компенсатор), что позволяет воспринять избыточные напряжения при гидравлических ударах без разрушения. Это подтверждено заводскими испытаниями при скачкообразном изменении избыточного давления воды внутри пакета пластин от 0 до 60 бар.
Если говорить о качестве воды, которая нагревается (охлаждается) в теплообменнике, то его необходимо обеспечивать в теплообменных аппаратах любой конструкции (данное требование указано у всех производителей в сопроводительной документации). При использовании воды из поверхностных источников, естественно, необходимо предусматривать мероприятия по предварительной, как минимум механической очистке воды.
В свете этого мы можем говорить только об эксплуатационных издержках, связанных с необходимостью периодической очистки теплообменных поверхностей. Для кожухопластинчатых теплообменников эта задача решается довольно просто, поскольку наружная поверхность пакета пластин доступна для очистки любыми способами (аппараты высокого давления, очистка паром, использование химических реагентов и т.п.).
Если у вас есть необходимость в теплообменнике, и вы не уверены, какая модель является наиболее приемлемой, специалисты компании «ТЕПЛО-ХИТ» ответят на все вопросы по теплообменникам. Также планируется публикация ряда статей, посвященных теплообменникам, в журнале «Вестник арматуростроителя».
