Трубчатые теплообменники в свою очередь подразделяются на кожухотрубные, типа «труба в трубе», элементные (секционные) и змеевиковые. Кожухотрубные теплообменники получили в промышленности наибольшее применение благодаря своей компактности, простоте в изготовлении и надежности в работе.
Простейший одноходовой кожухотрубный теплообменник с жестко закрепленными трубными решетками состоит из цилиндрического кожуха, в котором с обеих сторон вварены трубные решетки с отверстиями для труб. Эти отверстия расположены на трубных решетках по вершинам разносторонних треугольников, вершинам квадратов или по концентрическим окружностям. Трубы в отверстиях решетки плотно закрепляют при помощи вальцовки или сварки. Жесткое закрепление труб с обеих сторон допустимо при перепаде температур между средами не более 50°С, когда линейные удлинения труб и кожуха небольшие и не вызывают значительных напряжений в местах крепления.
С обеих сторон кожух закрывают крышками, образующими верхнюю и нижнюю камеры. Таким образом, в теплообменнике имеется межтрубное пространство, ограниченное кожухом, двумя трубными решетками и наружной поверхностью труб, и трубное пространство, соединяющее обе камеры.
Одна из сред (обычно более чистая) проходит в межтрубном пространстве, а другая движется из одной камеры в другую по трубам и в данном случае совершает один ход. Скорость движения ее при этом небольшая, и коэффициент теплоотдачи относительно мал. Для подвода и отвода сред теплообменник имеет соответствующие патрубки, а при обогреве его паром, кроме того, еще и патрубок для отвода неконденсирующихся газов из межтрубного пространства. Лапы предназначены для установки теплообменника.
Чтобы предотвратить возможные деформации при большем перепаде температур, кожух теплообменника выполняют с линзовым компенсатором, или изготовляют теплообменник с U – образными трубами. Линзовые компенсаторы устанавливают в корпусе теплообменника и компенсируют температурные деформации осевым сжатием или расширением. Теплообменники с U – образными трубами имеют одну трубчатую решётку, в которой закреплены оба конца U – образных труб. Каждая труба при нагревании может удлиняться независимо от других, тем самым компенсируя температурные напряжения.
Для повышения коэффициента теплоотдачи применяют многоходовые теплообменники. Например, в двухходовом (по трубному пространству) теплообменнике перегородкой, установленной в верхней камере, все трубы разделены на два хода (пучка), по которым среда I проходит последовательно. При этом соответственно числу ходов увеличивается скорость движения среды, а, следовательно, и коэффициент теплоотдачи, уменьшаются потребная поверхность теплообмена и геометрические размеры теплообменника.
Для повышения скорости среды II и эффективного использования поверхности теплопередачи устанавливают поперечные или продольные перегородки и в межтрубном пространстве.В кожухотрубном теплообменнике в основном используются медные и латунные трубы диаметром 20 – 90 мм и стальные бесшовные трубы диаметром 25 – 75 мм.
Достоинства кожухотрубных теплообменников заключаются в компактности, невысоком расходе металла, лёгкости очистки труб изнутри (за исключением теплообменников с U – образными трубами).
Недостатками этих теплообменников являются сложность достижения высоких скоростей теплоносителей, за исключением многоходовых теплообменников; трудность очистки межтрубного пространства и малая доступность его для осмотра и ремонта; сложность изготовления из материалов, не поддающихся развальцовке и сварке, например чугун и ферросилид.
3 Устройство и принцип работы теплообменника типа «труба в трубе»
Теплообменник типа «труба в трубе» состоит из нескольких элементов, расположенных один над другим. Каждый элемент состоит из наружной трубы и концентрически расположенной в ней трубы. Уплотнение между ними достигается установкой сальников или сваркой. Внутренние трубы элементов соединены последовательно переходными коленами (калачами) I, а наружные трубы – патрубками. Среда I движется по внутренним трубам, а среда II – по
кольцевым каналам элементов.
При большой скорости перемещения сред этот теплообменник обеспечивает высокую интенсивность теплообмена, однако, он громоздкий по сравнению с кожухотрубными теплообменниками и металлоемкий. Иногда в одном элементе такого теплообменника размещают не одну трубу, а от 5 до 15. Такие элементные (секционные) теплообменники широко применяют в холодильной технике, а в последнее время они получают широкое применение вместо кожухотрубных для нагревания паром жидкостей, движущихся по трубам со скоростью до 3 м/с, благодаря чему уменьшается отложение накипи на трубах и увеличивается коэффициент теплопередачи до 1000 – 1200 Вт/(м2·К) вместо 500 – 600 Вт/(м2 ·К) в кожухотрубных теплообменниках.
