Введение
Класс конструкций теплообменников Класс конструкций теплообменников представляет собой теплообменник корпусной конструкции. Это наиболее распространенный тип теплообменника в нефтеперерабатывающих заводах и других крупных химических процессах, и подходит для применения при более высоком давлении. Как следует из названия, этот тип теплообменника состоит из оболочки (большой сосуда под давлением) с пучком труб внутри. Одна жидкость проходит через трубки, а другая жидкость течет через трубки (через оболочку), чтобы передавать тепло между двумя жидкостями. Набор труб называется трубным пучком и может состоять из нескольких типов труб: обычных, с продольными плавниками и т. д.
A shell and tube heat exchanger is a class of heat exchanger designs. It is the most common type of heat exchanger in oil refineries and other large chemical processes, and is suited for higher pressure applications. As its name implies, this type of heat exchanger consists of a shell (a large pressure vessel) with a bundle of tubes inside it. One fluid runs through the tubes, and another fluid flows over the tubes (through the shell) to transfer heat between the two fluids. The set of tubes is called a tube bundle, and may be composed of several types of tubes: plain, longitudinally finned, etc.
Теория и применение
Две жидкости, разной начальной температуры, проходят через теплообменник. Один из них протекает через трубки (сторона трубки), а другой течет за пределы трубки, но внутри оболочки (сторона оболочки). Тепло передается из одной жидкости в другую через стенки труб, либо с стороны трубки на сторону оболочки, либо наоборот. Жидкости могут быть либо жидкостями, либо газами, как на оболочке, так и на стороне трубки. Для эффективной передачи тепла следует использовать большую площадь передачи тепла, что приводит к использованию многих труб. Таким образом, отработанное тепло можно использовать. Это эффективный способ экономии энергии. Теплообменники с одной фазой (жидкой или газовой) с каждой стороны можно назвать однофазными или однофазными теплообменниками. Двухфазные теплообменники могут использоваться для нагрева жидкости для ее переваривания в газ (пары), иногда называемый котлами, или для охлаждения паров и конденсации в жидкость (называемые конденсаторами), при этом изменение фазы обычно происходит на стороне оболочки. Котельные в паровых локомотивах обычно большие, обычно цилиндрические теплообменники с оболочкой и трубкой. В крупных электростанциях с паровыми турбинами используются конденсаторы поверхностного корпуса и трубки для конденсации выхлопного пара, выходящего из турбины, в конденсатную воду, которая перерабатывается обратно, чтобы превратиться в пар в парогенераторе. Они также используются в жидкостных охлаждающих устройствах для передачи тепла между хладагентом и водой как в испарителе, так и в конденсаторе, а также в воздушных охлаждающих устройствах только для испарителя.
Конструкция теплообменника с оболочкой и трубкой
В конструкции оболочки и трубки может быть много вариаций. Обычно концы каждой трубки соединены с пленумами (иногда называемыми водяными коробками) через отверстия в трубчатых листах. Трубки могут быть прямыми или изогнутыми в форме буквы U, называемые U-трубками. В атомных электростанциях, называемых реакторами с давлением, большие теплообменники, называемые парогенераторами, представляют собой двухфазные теплообменники, обычно имеющие U-трубы. Они используются для перекипячения воды, переработанной из поверхностного конденсатора, в пар для приведения в движение турбины для производства энергии. Большинство теплообменников с корпусом и трубками имеют конструкцию с 1, 2 или 4 проходами на стороне трубки. Это относится к количеству раз, когда жидкость в трубах проходит через жидкость в оболочке. В однопроходных теплообменниках жидкость входит в один конец каждой трубки и выходит из нее другим. Поверхностные конденсаторы в электростанциях часто представляют собой однопроходные прямопроводные теплообменники (см. схему поверхностного конденсатора). Обычно используются конструкции с двумя и четырьмя проходами, поскольку жидкость может входить и выходить с одной стороны. Это значительно упрощает строительство. Часто существуют дефиле, направляющие поток через оболочку, чтобы жидкость не прошла через оболочку, оставляя неэффективные низкие объемы потока. Они обычно прикрепляются к пучкам труб, а не к оболочке, чтобы пучка все еще могла быть снята для технического обслуживания. Контрточные теплообменники наиболее эффективны, потому что они позволяют иметь наибольшую разницу в средней температуре между горячими и холодными потоками. Однако многие компании не используют двухпроходные теплообменники с трубкой, потому что они могут легко ломаться, а также потому, что их строительство дороже. Часто несколько теплообменников могут использоваться для моделирования противоречного потока одного большого теплообменника.
Выбор материала труб
Чтобы хорошо передавать тепло, материал трубки должен иметь хорошую теплопроводность. Поскольку тепло передается от горячей к холодной стороне через трубки, существует разница температур по ширине труб. Из-за тенденции материала трубки к термическому расширению в разных температурах, во время работы возникают термические напряжения. Это в дополнение к стрессу от высокого давления от самих жидкостей. Материал трубки также должен совместиться как с оболочкой, так и с боковыми жидкостями трубки в течение длительных периодов времени в условиях эксплуатации (температуры, давления, рН и т. д.). чтобы свести к минимуму повреждения, такие как коррозия. Все эти требования требуют тщательного выбора прочных, теплопроводящих, коррозионностойких, высококачественных материалов для труб, как правило, металлов, включая алюминий, медной сплав, нержавеющую сталь, углеродистую сталь, нежелезную медную сплав, инконелл, никель, гастеллой и титан. Для производства трубных материалов также используются фторполимеры, такие как перфторалкоксиалкан (ПФА) и фторированный этиленпропилен (ФЭП), из-за их высокой стойкости к экстремальным температурам. Неправильный выбор материала трубки может привести к утечке через трубу между оболочкой и сторонами трубки, вызывая перекрестное загрязнение жидкости и, возможно, потерю давления.
Защита от перенапряжения
В трубчатых теплообменниках существует возможность разрыва трубки и проникновения жидкости высокого давления (HP) и перенапряжения стороны низкого давления (LP) теплообменника. Обычная конфигурация обменников заключается в том, что жидкость HP находится в трубах, а для воды LP, охлаждающих или нагревательных средств - на стороне оболочки. Существует риск того, что разрыв трубы может поставить под угрозу целостность оболочки и выброс воспламеняющегося газа или жидкости, что может привести к риску для людей и финансовым потерям. Оболочка обменника должна быть защищена от перенапряжения с помощью разрывных дисков или вытяжных клапанов. Время открытия защитных устройств было признано критически важным для защиты обменника. Такие устройства устанавливаются непосредственно на оболочке обменника и выпускаются в систему снятия.
Обзор
Теплообменники в корпусах и трубах являются неотъемлемыми компонентами тепловой инженерии, в основном используются для эффективной передачи тепла. Конструкция и расположение труб в этих обменниках имеют фундаментальное значение для их работы и эффективности. Точная конструкция и спецификация труб в корпусных и трубных теплообменниках подчеркивают сложность тепловой инженерии. Каждый аспект конструкции, от выбора материала до расположения труб и потока жидкости, играет жизненно важную роль в производительности обменника, демонстрируя сложности и точность, необходимые в этой области.
Спецификация и стандарты
Трубы в этих обменниках, часто называемые конденсаторными трубами, отличаются от типичных водопроводных труб. Они соответствуют стандарту Бирмингемского проволочного калибра (BWG), который диктует конкретные размеры, такие как внешний диаметр. Например, 1-дюймовая трубка согласно BWG будет иметь точный внешний диаметр 1 дюйма. Подробные спецификации доступны в специализированных справочниках.
Материалы
Трубы изготавливаются из различных материалов, каждый из которых выбирается на основе конкретных системных требований, включая теплопроводность, прочность и коррозионную стойкость.
Устройство труб
Расположение труб является важным аспектом конструкции. Они расположены в отверстиях, просверленных в трубных листах, причем расстояние между отверстиями, известное как проход труб, является ключевым фактором как для структурной целостности, так и для эффективности. Трубы обычно организованы в квадратных или треугольных узорах, а конкретные макеты подробно описаны в инженерных справочниках.
Число труб
Количество труб - это максимальное количество труб, которые могут поместиться в оболочку определенного диаметра без ослабления трубного листа. Этот аспект имеет решающее значение для обеспечения структурной целостности и эффективности теплообменника. Информация о количестве труб для различных размеров раковин может быть найдена в специализированной литературе.
Поток жидкости
В оболочковых и трубчатых теплообменниках существуют два различных потока жидкости для передачи тепла. Трубчатая жидкость циркулирует внутри труб, в то время как жидкость оболочки течет вокруг них, управляемая дефилерами. Движение жидкости оболочки, будь то сбоку или вверх и вниз, и количество проходов, которые она делает по трубам, контролируются сегментальными дефильтрами, необходимыми для максимизации эффективности теплопередачи. Эти аспекты подробно описаны в специальных справочниках.