КОЖУХОТРУБНЫЙ КОМПАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С РАЗБОРНЫМ ТРУБНЫМ ПУЧКОМ

КОЖУХОТРУБНЫЙ КОМПАКТНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК С РАЗБОРНЫМ ТРУБНЫМ ПУЧКОМ

Раздел: Техника

П.М. Трофимов, гл. механик, ООО «НТЦ «Ахмадуллины», petrtrofimov@rambler.ru

Г.С.Яицких,директор по развитию АО «ИПН»,yaitskich@truboprovod.ru

К.П.Кулаков,Технический директор АО «ИПН»,kulakov@truboprovod.ru

Кожухотрубные теплообменники появились еще в начале XX века.Высокий КПД, возможность работы при высоком давлении обеспечили им ведущие позиции на рынке теплообменного оборудования.Однако в последние 20-30 лет всё большее применение находят пластинчатые теплообменники.

Перечисляя преимущества разборных пластинчатых теплообменников по сравнению с кожухотрубными, их апологеты, как правило, выделяют следующие преимущества : меньший вес и габариты, более высокий коэффициент теплопередачи, повышенный срок службы,возможность механической очистки разборных конструкций для восстановления поверхности теплообмена.

Трубные пучки кожухотрубных теплообменников неразборны, поэтому механическая очистка поверхности труб в пучке сильно затруднена, а зачастую и вовсе невозможна. Химическая же очистка теплообменника не позволяет на 100% восстанавливать поверхность теплообменника, поэтому со временем поверхность кожухотрубного теплообменника становится недостаточной для обеспечения заданного теплосъема [1].

Разборка, чистка и сборка разборных пластинчатых теплообменников является очень трудоемким и дорогостоящим процессом (составляет порядка 50% полной стоимости самого теплообменника), а стоимость ремкомплекта, в том числе одноразовых прокладок, составляет порядка 30% полной стоимости нового пластинчатого теплообменника [2].

Конструктивные особенности кожухотрубных теплообменников обуславливают ограниченные возможности совершенствования их в части уменьшения массогабаритных параметров, которые не могут быть в значительной степени решены интенсификацией теплообмена за счёт увеличением турбулизации теплообменивающихся сред и уменьшением застойных зон.

Также ограничение возможности достижения желаемой компактности кожухотрубных теплообменников обуславливается диаметром применяемых труб и допустимыми шагами их размещения в трубной решетке, которые в свою очередь лимитируются особенностями технологии изготовления аппаратов и соображениями удобства их очистки.

«Ахиллесова пята» конструкции обычных кожухотрубных теплообменников в способах крепления труб в трубных решетках (развальцовка или сварка, т.е. неразъёмные соединения). Кроме всего прочего, развальцовка труб в трубной решетке вызывает контактное давление между ними, которое выливается в упругую деформацию перемычек между отверстиями, что ведет к деформации трубной решетки в целом. Таким образом возникают ограничения минимального расстояния между трубами, которые: увеличивают проходное сечение межтрубья, снижают скорость среды в межтрубье и образуют застойные зоны.

Разного рода ухищрения,например установка интенсифицирующих теплообмен перегородок, повышающих скорость среды в межтрубье, не дают должный результат, в силу образования застойных зон у самих перегородок, кроме того увеличивается гидравлическое сопротивление.

Принятая техническая классификация подразумевает использование буквенных обозначений «Н», «К», «П», «У» и «ПК» для различных типов кожухотрубчатых теплообменников:

  • тип «Н» – с неподвижно закреплёнными трубными решётками;
  • тип «П» – с «плавающей» головкой;
  • тип «К» – с температурными компенсаторами на кожухе;
  • тип «ПК» – с «плавающей» головкой плюс компенсаторы на ней;
  • тип «У» – с трубами, напоминающими формой латинскую букву «U»

Для представляемого кожухотрубного теплообменника новейшего 4-го поколения «РИТА» (Разборный Интенсифицированный Теплообменный Аппарат) надобно внести в классификатор новый тип «Р» – разборный.

теплообменик 50 и 80 (1).png

Все известные кожухотрубные теплообменники включая и 3-е поколение Spin-Cell неразборны до элементарных труб, с застойными зонами у трубных досок [3]. Однако решения в «РИТА», защищенные патентами России №2543094 и Германии DE202015009185, позволяют ликвидировать застойные зоны у трубных решеток и уравнять высокую скорость среды по всему межтрубному проходному сечению.Такая конструкция позволяет в процессе ремонта полностью разбирать аппарат на элементы и трубы с целью очистки как внутренних, так и наружных поверхностей.

Технические преимущества теплообменника РИТА, по сравнению с известными конструкциями, дает сальниковая конструкция трубной решетки.Это единственная из всех известных конструкций теплообменников, имеющая неотъемлемый эффект самогермитизации в трубной решетке.Она позволяет собирать тонкостенные теплообменные трубы в плотный пучок ,обеспечивая герметичное, прочное и   надежное их крепление.

Простое техническое решение - стяжка теплообменных труб в плотный пучок -позволило реализовать чистый противоток теплообменивающихся сред и достичь высоких скоростей теплоносителей, отказавшись от поперечных и продольных перегородок, сохраняя при этом достаточную жесткость конструкции,исключающую провис, вибрацию и трение между собой теплообменных труб.

Кстати, применение самой популярной мантры в науке по теплобменникам «В кожухотрубчатых теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб.» в теплообменниках типа «РИТА» не уместно, так как в этих аппаратах соотношение сечений может быть равным( das ist fantastisch!). 

Благодаря сравнительно малым размерам и весу для этих аппаратов не нужны большие фундаменты;в некоторых случаях они могут крепиться непосредственно к технологическим трубопроводам.

Теплообменники РИТА отличаются, от известных теплообменников:

- пониженным гидравлическим сопротивлением и ,более того,они имеют уравненную высокую скорость по всему межтрубному проходному сечению, как в центре, так и в периферии;этот эффект достигается за счет расширений кожуха в местах ввода-вывода теплоносителя, позволяющих развести теплообменные трубы на большие расстояния, и тем самым обеспечить беспрепятственный проход теплоносителя из периферии в центр трубного пучка.     

 - полным отсутствием застойных зон в межтрубном пространстве, так как теплообменные трубы в местах крепления к трубным решеткам, наиболее разведены; таким образом среда в межтрубье движется через эти разведенные места, по пути наименьшего сопротивления, исключая осаждение гидровзвесей, что сохраняет чистоту теплообменной поверхности и обеспечивает интенсивный теплообмен на протяжении всего срока службы. 

Конструкция кожухотрубного теплообменника РИТА представлена на Рис.1. Кожух 1 аппарата снабжен штуцерами 2, 3 для ввода и вывода теплоносителя;он выполненный с внутренними выемками 4 по торцам.Крышки 5 со штуцерами 6, 7 для входа и выхода теплообменивающейся среды.Пучок теплообменных труб 8, зафиксированных в отверстиях трубных решеток, состоящих из внутренней и последующих перфорированных пластин 9, 10 с уплотнительным материалом 11 между ними. Внутренняя и последующие пластины 9, 10 трубных решеток зажаты крышками 5 в выемках 4 кожуха 1. Бандажи 12 теплообменных труб 8 могут быть выполнены в виде проволочной спиральной навивки,позволяющей турбулизировать межтрубный поток и устанавливать фиксированный межтрубный зазор а также исключить трение теплообменных труб 8 между собой. Теплообменные трубы 8 стягиваются в пучок проволокой 13 или хомутами, которые прочно и надежно закрепляют их в плотном пучке, что исключает провис и вибрацию теплообменных труб 8.Такое конструктивное решение позволяет отказаться от опор и перегородок, что в свою очередь позволяет снизить гидравлическое сопротивление и даёт возможность реализовать чистый противоток теплообменивающихся сред при повышенных скоростях их движения. Для снижения местных гидравлических сопротивлений и исключения образования застойных зон кожух 1 расширен в местах штуцеров 2, 3 для ввода и вывода теплоносителя, выполнен в расширенной части 14 с выемками.

 

схема труб пучка.jpg

Рис.1 Принципиальная схема теплообменника «РИТА».

  В целях повышения эффективности работы теплообменника РИТА возможно:

- использовать для изготовления теплообменных труб любые материалы как металлические, так и неметаллические;

- применять теплообменные трубы любого диаметра и толщины; известно, что чем меньше диаметр труб и толщина стенки, тем выше коэффициент использования массы и объема теплообменника;

- применять как гладкие теплообменные трубы, так и гофрированные (сильфонные) и ,более того, теплообменные трубы любого профиля, а также с накаткой кольцевых или спиральных канавок, турбулизирующих потоки на внутренней и внешней поверхности трубы для интенсификации теплообмена;

- снизить гидравлическое сопротивление, отказавшись от поперечных и продольных перегородок.

В Таблицах 1 и 2 представлены сравнительные технико-экономические показатели различных типов теплообменников.

Таблица 1. Сравнительные технико-экономические показатели теплообменников для горячего водоснабжения в ЖКХ

 

Стандартные кожухотрубные теплообменники типа U

Разборные пластинчатые теплообменники

Разборные

Кожухотрубные теплообменники типа РИТА

Теплопроизводительность, кВт

348

349

348

 

Коэффициент теплопередачи, Вт/м2С

2600

5100

8300

Толщина теплопередающей стенки, мм

2 - 4

0,4 – 0,5

0,3

Потери давления нагреваемая среда, м.вод.ст.

1,5

1,6

0,06

Потери давления греющая среда, м.вод.ст.                    

1,7

2,1

0,1

Габариты

ШхВхД, мм

300х600х2450

305х900х535

80х210х2400

Вес, кг

450

140

16

 

Цена, руб.

243000

161000

71000

 

 

Таблица 2. Сравнительные технико-экономические показатели водяных подогревателей нефти.

 

Стандартные кожухотрубные теплообменники

Типа U

Разборные пластинчатые теплообменники

Разборные

кожухотрубные теплообменники

типа РИТА

Теплопроизводительность, кВт

300

302

302

 

Коэффициент теплопередачи, Вт/м2С

211

423

2750

Толщина теплопередающей стенки, мм

2 - 4

0,4 – 0,5

0,3

Потери давления нагреваемая среда, м.вод.ст.

1,5

2,6

0,6

Потери давления греющая среда, м.вод.ст.                    

0,07

0,1

0,05

Габариты

ШхВхД, мм

320х610х3450

385х950х735

100х240х2800

Вес, кг

1827

324

47

 

Цена, руб.

667000

368000

180000

 

По показателям, приведённым в таблицах, можно сделать вывод, что теплообменники «РИТА», превосходят своих предшественников. Коэффициент теплопередачи 1,5-2,5 раза выше, чем у обычного кожухотрубного и разборноного пластинчатого теплообменников, максимальные потери давления имеют приемлемое значение, они более чем в 3-4 раза ниже показателей теплообменных аппаратов второго поколения.

И конечно же колоссальная разница в габаритах и весе установок. Теплообменники «РИТА» намного меньше в размере и в 10 раз легче обычных кожухотрубных теплобменников. Более компактные размеры, низкая металлоёмкость обуставливают меньшую стоимость аппаратов типа РИТА,при этом потребитель получает оборудование с существенно лучшими ключевыми техническими характеристиками.

Теплообменники РИТА технологичны в изготовлении, поскольку нет надобности в эксклюзивных станках.При изготовлении могут использоваться стандартные фитинги, трубные решетки вырезаются из листового металла лазером, а для уплотнений приемлемы литьевые эластомеры.Необходимо также отметить,что относительно несложная конструкция позволяет штатному персоналу предприятия без затруднений разобрать теплообменник вплоть до элементарных теплообменных труб и деталей с целью замены любых из них или очистки (по необходимости), как внутренних, так и наружных поверхностей а затем собрать аппарат в условиях обычной мастерской.

В последнее время в ЖКХ наметилась тенденция перехода от внутриквартальных систем горячего водоснабжения с циркуляцией огромных масс воды, на перенос приготовления горячей воды непосредственно к потребителю путем установки в многоквартирных домах индивидуальных тепловых пунктов. В весьма стесненных подвальных помещениях целесообразней располагать теплообменники «РИТА» прямо на стене, почти не занимая места в помещении.

В некоторых случаях, в условиях ограниченных пространств и одновременно необходимости снижения веса оборудования, например, на морских судах, морских нефтедобывающих платформах, блочно-модульных установках и т.д. где требуется высокая эффективность теплообмена, при малых массогабаритных параметрах, в условиях трудной транспортной доступности ,задачу может решить применение разборных кожухотрубных теплообменников типа «РИТА».

Таким образом, кожухотрубный теплообменник типа РИТА имеет неоспоримые преимущества перед используемыми ныне.В ближайшей перспективе эти теплообменники могут найти широкое применение в ЖКХ, энергетике, нефтегазовой сфере и других отраслях народного хозяйства.

Список литературы: 

  1. Жаднов О.В. «Пластинчатые теплообменники - дело тонкое» Журнал «Новости теплоснабжения» № 3, 2005 г.
  2. Барон В.Г. «Легенды и мифы современной теплотехники или пластинчатые и кожухотрубные теплообменные аппараты» // «Новости теплоснабжения», 2004г, №8, с.38-42.
  3. Е. А. Микеров, А. М. Наумов, А. В. Муравьев «ОБЗОР ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ С ТЕХНОЛОГИЕЙ ЗАКРУТКИ ПОТОКА SPIN CELL» ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет».

 

 


Календарь событий
Ежегодное отраслевое совещание главных механиков
Дата проведения: 28.11-02.12 2022
https://sovet-npz.ru/
 Химагрегаты №59, сентябрь 2022 Версия PDF