Обзор кожухотрубных теплообменников НЗТО и их конструктивных особенностей

Теплообменные аппараты являются неотъемлемой частью технологических процессов различных отраслей промышленности: химической, энергетической, металлургической, пищевой, а также коммунального хозяйства.

Наиболее распространены кожухотрубные теплообменники. Они появились в начале 20 века в связи с развитием теплоэнергетики и возникшей потребностью тепловых электростанций в теплообменниках с большой поверхностью, таких как конденсаторы и подогреватели высокого давления.

В настоящее время кожухотрубные теплообменные аппараты применяются в качестве конденсаторов, подогревателей, испарителей и утилизаторов тепла отработанных газов. Это оборудование характеризуется простотой, надежностью, доступностью и технологичностью.

Существует множество вариантов исполнения кожухотрубных теплообменников, что позволяет использовать их в различных условиях эксплуатации, например:

• в потоках, как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния (кипение и конденсация) по горячей и холодной сторонам теплообменника вертикального или горизонтального исполнения;
• в широком диапазоне давлений (от вакуума до высоких значений);
•  в широких пределах изменяющихся перепадов давления по обеим сторонам;
• в широких пределах изменения мощности и размеров (от малых до предельно больших);
• при существенных термических напряжениях.

Высокие эксплуатационные свойства кожухотрубных теплообменников обусловлены возможностью применения различных материалов в соответствии с требованиями по стоимости, режимам работы и коррозионной стойкости, использованием развитых поверхностей теплообмена как внутри труб, так и снаружи, а также возможностью извлечения из аппарата пучка труб для их последующей очистки и ремонта.

Таким образом, кожухотрубные теплообменники обладают гораздо более высокой конкурентоспособностью по сравнению с другими типами теплообменников.

Теплообменники НЗТО имеют достаточно большие соотношения поверхности теплообмена к объему и массе. В них используется модифицированная противоточная схема течения теплоносителей, так называемая реверсивная схема. При этом в межтрубном пространстве распложена одна продольная перегородка и отсутствуют поперечные. Предложенные конструктивные решения корпусов позволяют выпускать теплообменники разных типоразмеров. Необходимая поверхность теплообмена внутри типоразмера формируется изменением числа трубок одинаковой длины. Это позволяет унифицировать производство при незначительных изменениях теплогидравлических характеристик: коэффициента теплопередачи и гидравлических сопротивлений.

Значительные изменения внесены и в конструкцию трубных пучков теплообменников: традиционно в теплообменниках использовались латунные трубки наружным диаметром 16 мм и внутренним – 14 мм. Большой внутренний диаметр трубок обеспечивал им необходимую жесткость и предоставлял возможность механической чистки отложений. При этом заделка труб в трубные решетки осуществлялась с помощью вальцовки.

Положительный опыт  использования нержавеющей стали аустенитного класса в атомной промышленности и мониторинг рынка производителей труб обусловил выбор этого материала для изготовления трубных решеток, фланцев, корпусов и перегородок теплообменника. Нержавеющая сталь аустенитного класса обладает низкой адгезией к взвешенным частицам и кристаллам накипи, что позволяет исключить образование электрохимических коррозионных пар и использовать для заделки труб в трубных решетках аргоно-дуговую сварку. Такой же способ, обеспечивающий высокую прочность и герметичность в широком диапазоне температур и давлений, используется и для других неразъемных соединений аппарата.

Немаловажное значение имеет выбор диаметра и толщины стенки трубок трубного пучка. Накопленный опыт эксплуатации позволил остановиться на трубках с внешним диаметром 12 мм и толщиной стенки 1 и 0,8 мм. Такие трубки обладают необходимой жесткостью, обеспечивают достаточно высокие скорости течения и пропускают без осаждения довольно крупные грязевые включения.

Основная масса теплообменных поверхностей выполняется из технически гладких и шероховатых труб, что обусловлено технологией их изготовления и, как правило, наименьшей загрязненностью. Теплообменные аппараты НЗТО оснащены трубками, профилированными таким образом, чтобы уменьшить толщину пограничного слоя за счет локальных разрывов обтекаемой поверхности теплообмена. Это достигается накаткой на внешней поверхности трубки кольцевых канавок, вследствие образования которых на внутренней поверхности трубы образуются плавно очерченные выступы небольшой высоты.

Для выравнивания скоростей, определяющих коэффициенты теплоотдачи, в трубках и межтрубном пространстве применяют шестигранные корпуса или вытеснители, уменьшающие площадь проходного сечения межтрубного пространства.

Подогреватели ПВВ-У и ППВ-У спроектированы с учетом требований по прочности ГОСТ 14249-89 "Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность", ГОСТ 25859-83 "Сосуды и аппараты стальные. Нормы и методы расчета на прочность при малоцикловых нагрузках", РД 26-14-88 "Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Элементы теплообменных аппаратов".  Это означает, что подогреватели ПВВ-У, не подпадая под характеристику "Сосуды  высокого давления", тем не менее, изготавливаются с учетом требований Госгортехнадзора к сосудам повышенной опасности.

Накопленный к настоящему времени опыт эксплуатации показал, что выпускаемые ООО «НЗТО» теплообменники малочувствительны к скачкам температур и давлений, а также практически не имеют ограничений по рабочим средам. Запас по прочности элементов корпуса подогревателей ПВВ-У по отношению к номинальным допускаемым напряжениям по ГОСТ 1429-89 составляет 350-400%, а запас по прочности трубок – 1000-1500%.