Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Моделирование потока жидкости для кожухотрубного теплообменника; Вход в кожух находится вверху сзади, а выход на переднем плане внизу.

Кожухотрубный теплообменник представляет собой класс теплообменника конструкций. [1] [2] Это наиболее распространенный тип теплообменника на нефтеперерабатывающих заводах и других крупных химических процессах, который подходит для приложений с более высоким давлением. Как следует из названия, этот тип теплообменника состоит из корпуса (большого сосуда высокого давления ) с пучком труб внутри него. Одна жидкость течет по трубкам, а другая жидкость течет по трубам (через кожух) для передачи тепла между двумя жидкостями. Набор трубок называется пучком труб и может состоять из нескольких типов труб: гладких, с продольным оребрением и т. Д.

Теория и применение [ править ]

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

Теплообменники с одной фазой (жидкость или газ) на каждой стороне можно назвать однофазными или однофазными теплообменниками. Двухфазные теплообменники могут использоваться для нагрева жидкости до кипения ее в газ (пар), иногда называемые котлами , или для охлаждения паров и конденсации их в жидкость (так называемые конденсаторы ), при этом фазовый переход обычно происходит на сторона оболочки. Котлы в паровозах - это обычно большие кожухотрубные теплообменники цилиндрической формы. На крупных электростанциях с паровыми турбинами используются кожухотрубные поверхностные конденсаторы для конденсации отработанного пара.на выходе из турбины в конденсатную воду, которая повторно используется 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 для испарителя.

Конструкция кожухотрубного теплообменника [ править ]

Может быть много вариантов конструкции кожуха и трубы. Как правило, концы каждой трубки соединяются с воздухозаборниками (иногда называемыми водяными камерами ) через отверстия в трубных решетках . Трубки могут быть прямыми или изогнутыми в форме U, называемыми U-образными трубками.

U-образный теплообменник.PNG

На атомных электростанциях, называемых реакторами с водой под давлением , большие теплообменники, называемые парогенераторами, представляют собой двухфазные кожухотрубные теплообменники, которые обычно имеют U-образные трубы. Они используются для кипячения воды, рециркулируемой из поверхностного конденсатора, в пар, чтобы приводить в действие турбину для выработки энергии. Большинство кожухотрубных теплообменников имеют 1-, 2- или 4-проходную конструкцию со стороны трубы. Это относится к тому, сколько раз жидкость в трубках проходит через жидкость в оболочке. В однопроходном теплообменнике жидкость проходит через один конец каждой трубы и выходит из другого.

Поверхностные конденсаторы на электростанциях часто представляют собой однопроходные прямотрубные теплообменники (см. Схему на поверхностном конденсаторе ). Обычно используются двух- и четырехходовые конструкции, поскольку жидкость может входить и выходить с одной и той же стороны. Это значительно упрощает конструкцию.

Часто имеются перегородки, направляющие поток через кожух, чтобы жидкость не проходила через кожух, оставляя неэффективные малые объемы потока. Обычно они прикрепляются к трубному пучку, а не к кожуху, чтобы пучок оставался съемным для обслуживания.

Противоточные теплообменники наиболее эффективны, поскольку они допускают самую высокую логарифмическую разницу температур между горячим и холодным потоками. Однако многие компании не используют двухходовые теплообменники с U-образной трубкой, потому что они могут легко сломаться, а также дороже в строительстве. Часто несколько теплообменников можно использовать для моделирования противотока в одном большом теплообменнике.

Выбор материала трубки [ править ]

Для хорошей передачи тепла материал трубки должен иметь хорошую теплопроводность . Поскольку тепло передается от горячей стороны к холодной через трубки, существует разница температур по ширине трубок. Из-за тенденции материала трубки к различному термическому расширению при различных температурах во время работы возникают термические напряжения . Это в дополнение к любому стрессу от высокого давления от самих жидкостей. Материал трубки также должен быть совместим как со средами оболочки, так и со стороны трубки в течение длительных периодов времени в рабочих условиях ( температура , давление, pH и т. Д.), Чтобы свести к минимуму разрушение, такое каккоррозия . Все эти требования требуют тщательного выбора прочных, теплопроводящих, коррозионно-стойких, высококачественных материалов для труб, обычно металлов , включая алюминий , медный сплав , нержавеющую сталь , углеродистую сталь , сплав цветной меди, инконель , никель , хастеллой. и титан . [3] Фторполимеры, такие как перфторалкоксиалкан (PFA) и фторированный этиленпропилен.(FEP) также используются для производства материалов для труб из-за их высокой устойчивости к экстремальным температурам. [4] Неправильный выбор материала трубы может привести к утечке через трубу между обечайкой и сторонами трубы, вызывая перекрестное загрязнение жидкости и, возможно, потерю давления.

Приложения и способы использования [ править ]

Простая конструкция кожухотрубного теплообменника делает его идеальным решением для охлаждения для самых разных областей применения. Одно из наиболее распространенных применений - охлаждение гидравлической жидкости и масла в двигателях, трансмиссиях и гидроагрегатах . При правильном выборе материалов их также можно использовать для охлаждения или нагрева других сред, таких как вода в бассейне или наддувочный воздух. [5] Кожухотрубная технология имеет много преимуществ перед пластинами.

  • Одним из больших преимуществ использования кожухотрубных теплообменников является то, что их часто легко обслуживать, особенно с моделями, в которых доступен плавающий пучок труб. [6] (где трубные пластины не приварены к внешней оболочке). Это особенно интересно в приложениях, где холодная среда заряжена частицами или склонна к загрязнению: это случай для морских приложений [7], и обслуживание теплообменников с кожухотрубной технологией происходит быстро и эффективно по сравнению с другими технологиями.
  • Цилиндрическая конструкция корпуса чрезвычайно устойчива к давлению и позволяет использовать все диапазоны давления.

Защита от избыточного давления [ править ]

В кожухотрубных теплообменниках существует вероятность разрыва трубы и попадания жидкости под высоким давлением (ВД) в сторону низкого давления (НД) теплообменника и ее избыточное давление. [8] Обычная конфигурация теплообменников заключается в том, что жидкость высокого давления находится в трубках, а вода низкого давления, охлаждающая или нагревающая среда - со стороны кожуха. Существует риск того, что разрыв трубки может нарушить целостность оболочки и выброс горючего газа или жидкости с риском для людей и финансовых потерь. Корпус теплообменника должен быть защищен от избыточного давления разрывными мембранами или предохранительными клапанами. Было установлено, что время срабатывания защитных устройств имеет решающее значение для защиты теплообменника. [9] Такие устройства устанавливаются непосредственно на кожух теплообменника и сбрасываются в систему сброса.

Нормы проектирования и строительства [ править ]

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

См. Также [ править ]

  • Котел или ребойлер
  • EJMA
  • Огневой обогреватель
  • Обрастание или образование накипи
  • Теплообменник
  • Метод NTU как альтернатива поиску LMTD
  • Пластинчато-рамочный теплообменник
  • Пластинчато-ребристый теплообменник
  • Сосуд под давлением
  • Поверхностный конденсатор

Ссылки [ править ]

  1. ^ Садик Kakaç & Hongtan Liu (2002). Теплообменники: выбор, рейтинг и тепловое проектирование (2-е изд.). CRC Press. ISBN 0-8493-0902-6.
  2. ^ Перри, Роберт Х. и Грин, Дон У. (1984). Справочник инженеров-химиков Перри (6-е изд.). Макгроу-Хилл. ISBN 0-07-049479-7.
  3. ^ "Кожухо-трубчатые теплообменники" . Проверено 8 мая 2009 .
  4. ^ «Свойства PFA» (PDF) . www.fluorotherm.com/ . Fluorotherm Polymers, Inc . Проверено 4 ноября 2014 года .
  5. ^ «Приложения и использование» . Проверено 25 января 2016 .
  6. ^ Heat Exchanger Shell Bellows Piping Technology and Products, (извлечено в марте 2012 г.)
  7. ^ "Кожухотрубные теплообменники и маслоохладители от MOTA" . www.motaindustrialcooling.com . Проверено 29 сентября 2020 .
  8. ^ Институт энергетики (2015). Рекомендации по безопасной конструкции и эксплуатации кожухотрубных теплообменников, позволяющих выдерживать воздействие разрушения трубок . Лондон: Энергетический институт.
  9. ^ Институт инженеров-химиков (21 марта 2018 г.). «Экранирующие теплообменники для сброса высокого перепада давления» . Институт инженеров-химиков . Проверено 24 января 2021 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Детали конструкции кожухотрубных теплообменников
  • Основы проектирования кожухотрубных теплообменников
  • Основы промышленного теплообмена
  • Определение жидкого_жидкостного теплообменника
  • Бесплатная книга - Тепловое проектирование кожухотрубных теплообменников
  • Расчет кожухотрубного теплообменника для кожуха