Авторы: П.М. Трофимов (ООО «НТЦ «Ахмадуллины»), Г.С. Яицких, К.П. Кулаков (АО «ИПН»)
Опубликовано на портале «Химическая техника», июль 2022
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: меньшие массу 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 очистка теплообменника не позволяет на 100% восстанавливать поверхность теплообменника, поэтому со временем площадь поверхности кожухотрубного теплообменника становится недостаточной для обеспечения заданного теплосъема [1].
Разборка, чистка и сборка разборных пластинчатых теплообменников является очень трудоемким и дорогостоящим процессом (составляет ~50% полной стоимости самого теплообменника), а стоимость ремкомплекта, в том числе одноразовых прокладок, составляет около 30% стоимости нового пластинчатого теплообменника [2].
Конструктивные особенности кожухотрубных теплообменников обусловливают ограниченные возможности совершенствования их в части уменьшения массогабаритных параметров, которые не могут быть в значительной степени решены интенсификацией теплообмена за счёт увеличения турбулизации теплообменивающихся сред и уменьшения застойных зон.
Ограничение возможности достижения желаемой компактности кожухотрубных теплообменников также обусловливается 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 – способы крепления труб в трубных решетках (развальцовка или сварка, т.е. неразъёмные соединения). Кроме того, 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 приводят к должному результату из-за 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) следует внести в классификатор новый тип «Р» – разборный.
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 для очистки как внутренних, так и наружных поверхностей.
Технические преимущества теплообменника РИТА перед известными конструкциями дает сальниковая конструкция трубной решетки. Это единственная из всех известных конструкций теплообменников, имеющая эффект самогерметизации 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 провисание, 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» неуместно, так как в этих аппаратах соотношение сечений может быть равным (das ist fantastisch!).
Благодаря сравнительно малым размерам и массе для этих аппаратов не нужны большие фундаменты; в некоторых случаях они могут крепиться непосредственно к технологическим трубопроводам.
Теплообменники «РИТА» отличаются от известных теплообменников следующим:
- пониженным гидравлическим сопротивлением; более того, они имеют уравненную высокую скорость по всему межтрубному проходному сечению как в центре, так и на 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, что исключает осаждение гидровзвесей и сохраняет чистоту теплообменной поверхности, обеспечивая интенсивный теплообмен на протяжении всего срока службы.
Конструкция кожухотрубного теплообменника «РИТА» представлена на рисунке. Кожух 1 аппарата, выполненный с внутренними выемками 4 по торцам, снабжен штуцерами 2, 3 для ввода и вывода теплоносителя. Крышки 5 имеет штуцеры 6, 7 для входа и выхода теплообменивающейся среды. Пучок теплообменных труб 8, зафиксирован в отверстиях трубных решеток, состоящих из внутренней и последующих перфорированных пластин 9, 10 с уплотнительным материалом 11 между ними. Пластины 9, 10 зажаты крышками 5 в выемках 4 кожуха. 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 между собой. Теплообменные трубы стягиваются в пучок проволокой 13 или хомутами, которые прочно и надежно закрепляют трубы в плотном пучке, что исключает их провисание и вибрацию. Такое конструктивное решение позволяет отказаться от опор и перегородок, что в свою очередь дает возможность снизить гидравлическое сопротивление и реализовать чистый противоток теплообменивающихся сред при повышенных скоростях их движения. Для снижения местных гидравлических сопротивлений и исключения образования застойных зон кожух расширен в местах штуцеров 2, 3, выполнен в расширенной части 14 с выемками.
Повысить эффективность работы теплообменника «РИТА» можно в результате следующего:
- 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 табл. 1 и 2 представлены сравнительные технико-экономические показатели различных типов теплообменников.
Таблица 1
Сравнительные технико-экономические показатели теплообменников для горячего водоснабжения в ЖКХ
Таблица 2
Сравнительные технико-экономические показатели водяных подогревателей нефти
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 таких показателей теплообменных аппаратов второго поколения.
И, конечно, колоссальная разница в габаритах и массе установок. Теплообменники «РИТА» намного меньше и в 10 раз легче обычных кожухотрубных теплобменников. Более компактные размеры, низкая металлоёмкость обусловливают меньшую стоимость этих аппаратов, при этом потребитель получает оборудование с существенно лучшими ключевыми техническими характеристиками.
Теплообменники «РИТА» технологичны в изготовлении, поскольку нет надобности в эксклюзивных станках. При их 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 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 подачу приготовления горячей воды непосредственно к потребителю путем установки в многоквартирных домах индивидуальных тепловых пунктов. В весьма стесненных подвальных помещениях целесообразнее располагать теплообменники «РИТА» прямо на стене, почти не занимая места в помещении.
В условиях ограниченных пространств и одновременно необходимости снижения массы оборудования, например, на морских судах, морских нефтедобывающих платформах, блочно-модульных установках и др., где требуется высокая эффективность теплообмена при малых массогабаритных параметрах, а также трудной транспортной доступности, успешным может быть применение разборных кожухотрубных теплообменников типа «РИТА».
Таким образом, кожухотрубный теплообменник типа «РИТА» имеет неоспоримые преимущества перед используемыми в настоящее время. В ближайшей перспективе эти теплообменники могут найти широкое применение в ЖКХ, энергетике, нефтегазовой сфере и других отраслях народного хозяйства.
Список литературы
- Жаднов О.В. Пластинчатые теплообменники – дело тонкое//Новости теплоснабжения. 2005. № 3.
- Барон В.Г. Легенды и мифы современной теплотехники или пластинчатые и кожухотрубные теплообменные аппараты»//Новости теплоснабжения. 2004. №8. С. 38–42.
- Микеров Е.А., Наумов А.М., Муравьев А.В. Обзор энергоэффективных теплообменных аппаратов нового поколения с технологией закрутки потока SPIN CELL. Воронеж: ФГБОУ ВО «Воронежский государственный технический университет».
