Трубчатые теплообменники
Аппарат «кожух-трубки» (трубчатый) — наиболее востребованная в промышленности установка, служащая для теплопередачи. Примерно 60% всего мирового количества теплообменников — именно такие. Их применяют там, где пластинчатым ПТО условия уже недоступны: давление достигает 50 МПа, температура — до 500°C, мощность — до 100 МВт, а среды — чрезвычайно агрессивные. Далее рассмотрены шесть основных вариантов исполнения согласно TEMA, а также различия, касающиеся температурного расширения, шага трубок, материалов и областей использования.
В базовую комплектацию входят кожух, трубный пучок, решётки и крышки
Кожухотрубный теплообменник (КТТО) представляет собой устройство, где один поток идёт по трубам — их число может составлять десятки, сотни или тысячи, — а другой омывает трубный пучок снаружи, в межтрубной зоне кожуха. Тепло передаётся через стенку трубы: это контактная поверхностная рекуперация, среды при этом не смешиваются. По принципу действия здесь та же логика, что у любого аппарата рекуперативного типа, однако исполнение рассчитано на существенно более тяжёлые условия, чем у пластинчатых теплообменников.
Составляющие КТТО
- Корпус (shell) — стальная цилиндрическая обечайка с диаметром от 159 мм до 3000 мм и больше. На неё действует давление среды в межтрубном пространстве.
- Пучок труб (tube bundle) — главная поверхность теплообмена. Трубы имеют диаметр 12-38 мм (наиболее часто 19, 25, 32 мм), длину 1-9 м, а их количество — от десятков до 5-10 тысяч.
- Решётки трубного пучка (tube sheets) — массивные пластины с отверстиями; в них вальцуют и/или приваривают концы труб. Обеспечивают герметичность трубного и межтрубного пространств.
- Камеры распределения и крышки — задают число ходов в трубном пространстве (1, 2, 4, 6 ходов).
- Межтрубные перегородки (baffles) — бывают сегментными, дисково-кольцевыми, спиральными. Создают турбулентность потока вокруг труб, увеличивая коэффициент теплоотдачи.
- Патрубки, фланцы, опоры и компенсаторы — элементы обвязки для конкретной задачи.
Главная мысль: в КТТО поверхность теплообмена формируется за счёт числа и длины труб. В промышленных исполнениях она достигает 1000-3000 м² в одном корпусе — это в десятки раз превышает показатель у обычного разборного ПТО, однако и размеры будут соответствующими.
В чём КТТО превосходит пластинчатый
- Выдерживает давление до 50 МПа (у ПТО редко больше 2.5 МПа).
- Рабочий диапазон температур: от −200 до +500°C, а для специальных сталей — вплоть до +700°C.
- Пригоден для агрессивных сред, паров, многофазных потоков и сред с твёрдыми частицами.
- Обладает ремонтопригодностью: трубы допускается глушить, очищать, заменять.
- Срок службы 25-30 лет, тогда как разборные ПТО с прокладками служат 10-15 лет.
В чём КТТО уступает: КПД (k = 300-1500 Вт/м²·K против 3000-7000 у пластинчатых), металлоёмкость, размеры, стоимость за 1 м². Именно поэтому в системах ЦО, ГВС и охлаждения сред без особых требований КТТО уже давно заменены ПТО — подробный разбор в статье «Кожухотрубный или пластинчатый».
Шесть базовых типов по классификации TEMA
TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) — американский стандарт, фактически ставший международным языком, с помощью которого инженеры по всему миру описывают устройство КТТО. Обозначение аппарата включает три буквы: тип передней камеры (A, B, C, N, D), тип кожуха (E, F, G, H, J, K, X) и тип задней камеры (L, M, N, P, S, T, U, W). В зависимости от задней камеры все КТТО разделяют на три крупные группы.
Схематические разрезы трёх базовых типов
КТТО с решётками неподвижного типа (TEMA L, M, N)
Наиболее простая и распространённая конструкция: обе трубные решётки жёстко приварены к кожуху. Пучок труб неразборный и связан с корпусом. Благодаря этому достигаются максимальная компактность, наименьшая стоимость и идеальная герметичность — внутри нет ни одного фланца.
Когда такая конструкция применима
- Перепад температур между кожухом и трубами не выше 30-50°C — в противном случае термические напряжения нарушат вальцовку или разорвут кожух.
- Среда в межтрубном пространстве чистая либо даёт лишь мягкие отложения, удаляемые химической промывкой — подробнее о регламенте химической промывки.
- Аппарат не рассчитан на частое вскрытие — типовые случаи: подогреватели сетевой воды, паровые конденсаторы, маслоохладители для чистого масла.
Компенсация температурного расширения
Когда ΔT между кожухом и трубами превышает 50°C, в кожух встраивают линзовый компенсатор (от 1 до 4 линз в зависимости от хода). Это увеличивает стоимость на 15-30% и уменьшает предельно допустимое давление до 1.6-2.5 МПа, однако решает вопрос расширения. На подогревателях систем отопления и ГВС Подобные КТТО уже давно заменены ПТО — благодаря компактности и КПД.
Преимущества и недостатки
- Стоимость на 20-40% меньше, чем у floating head
- Внутренние прокладки и фланцы отсутствуют
- Наибольшее количество труб на единицу диаметра кожуха
- Прямые трубы позволяют легко очищать внутреннюю поверхность механически
- Пучок не вынимается — межтрубное пространство чистится только химическим способом
- Есть ограничение по ΔT между кожухом и трубами, либо требуется компенсатор
- Если межтрубное пространство закоксовывается, аппарат приходится менять
- Не подходит для агрессивных или сильно загрязняющих сред в межтрубном пространстве
КТТО с трубами U-образной формы (TEMA U)
Исполнение с единственной трубной решёткой: трубы согнуты на 180° в виде буквы «U», а оба конца закреплены в одной решётке. Второй (свободный) конец пучка не соединён с кожухом — при тепловом расширении он двигается свободно. Это устраняет проблему термических напряжений «бесплатно», без компенсатора.
Эксплуатационные особенности
- Пучок вынимается целиком — после демонтажа передней крышки и фланца кожуха пучок извлекается полностью. Межтрубное пространство открыто для механической и гидродинамической очистки.
- Очистка внутренней поверхности труб затруднена. В U-образные изгибы не попасть прямым ершом или штангой. Остаётся химия либо специальные гибкие пики с шарнирными насадками. Поэтому в трубное пространство направляют только чистую среду.
- Чёткое правило распределения сред: чистую, находящуюся под повышенным давлением и/или коррозионную среду — в трубы (внутрь). Грязную, склонную к отложениям — в кожух.
- Радиус закругления U — не менее 1.5d наружного диаметра трубы. Так, для трубы 25 мм минимальный радиус составляет 38 мм, из-за чего в центре пучка остаётся неиспользуемая зона.
Где U-trube — оптимальное решение: подогреватели нефти и нефтепродуктов, ребойлеры дистилляционных колонн, парогенераторы низкого давления, теплообменники высокого давления, где нужно свободное расширение, а трубное пространство гарантированно чистое.
Преимущества и недостатки U-trube
- Тепловое расширение свободное — термические напряжения отсутствуют
- Пучок вынимается, межтрубное пространство очищается механически
- Стоимость на 15-25% ниже, чем у floating head
- Допускает очень высокие ΔT и давления (до 50 МПа)
- Изгибы — проблемное место для внутренней очистки
- Отдельную трубу заменить нельзя (только заглушить)
- В центре пучка образуется «слепая» зона
- Не подходит для грязных сред в трубном пространстве
КТТО с головкой плавающего типа (TEMA S, T, W, P)
Наиболее универсальное и самое дорогое исполнение. Передняя трубная решётка приварена или прифланцована к кожуху, задняя же «плавает»: с корпусом она не соединена и может свободно двигаться вместе с пучком по оси аппарата. Тепловое расширение компенсируется полностью, прямые трубы доступны для очистки с двух сторон, пучок вынимается целиком.
Подтипы согласно TEMA
- TEMA S (split backing ring) — самый распространённый. Головка плавающего типа фиксируется разъёмным разрезным кольцом. Компактно, однако при разборке требуется снимать кожух.
- TEMA T (pull-through) — узел головки соединяется с плавающей трубной решёткой сразу, без применения разрезного кольца. Чтобы извлечь пучок, кожух разбирать не требуется — он вытягивается целиком. На тот же диаметр корпуса труб помещается меньше (необходим зазор), зато обслуживание выполняется проще.
- TEMA W (externally sealed lantern ring) — вариант с внешним уплотнением типа «фонарь». Стоит меньше, однако применим исключительно в неагрессивных средах и при невысоком давлении.
- TEMA P (outside packed) — уплотнение сальникового типа, вынесенное наружу. Используется в единичных случаях, когда задача нетиповая.
В каких случаях без floating head не обойтись: большие НПЗ, предприятия нефтехимии, холодильные контуры, паровые конденсаторы, ребойлеры, а также теплообменники, где и в трубном, и в межтрубном пространстве циркулируют загрязнённые либо склонные к коксованию среды. Это основная рабочая лошадка нефтегазового сектора.
Достоинства и недостатки плавающей головки
- Независимое тепловое расширение
- Разбирается полностью, что позволяет механически очищать и трубное, и межтрубное пространство
- Трубки прямые, поэтому их можно менять по одной
- Широкий диапазон сред и рабочих режимов
- Стоимость на 30-60% больше, чем у fixed
- Внутренние фланцевые соединения могут стать очагами протечек
- Габариты и металлоёмкость возрастают
- Монтаж и обслуживание сложнее
Схема выбора — какой тип КТТО нужен
Расположение и шаг трубок в пучке
Под шагом труб (tube pitch) понимают дистанцию между осями расположенных рядом трубок в решётке. Этот параметр определяет интенсивность теплопередачи, потери напора, доступность очистки межтрубной полости и компактность пучка. Согласно TEMA, базовым считается Pt = 1.25 · do — то есть отношение шага к наружному диаметру.
Четыре типовых варианта компоновки
Наиболее плотное размещение: в корпусе такого же диаметра удаётся установить на 15% больше трубок. Теплоотдача со стороны межтрубного пространства высокая — k больше на 10-25%. Недостаток — межтрубную полость можно чистить лишь химическим способом.
Плотность сохраняется как у схемы 30°, однако поток в межтрубном направляется к рядам под 60°. Используют реже, как правило, для пара и сред с малой вязкостью.
Между рядами образуются прямые «коридоры», благодаря чему удаётся провести механическую щётку. Выбирают такой вариант, если среда в межтрубном загрязняет поверхность и нуждается в регулярной механической очистке. Плотность меньше на 10-15%, коэффициент k также ниже.
Компромиссный вариант: коридоры расположены наклонно, очистка остаётся выполнимой, а теплоотдача превышает показатель схемы 90°. Используется при средней степени загрязнения.
Выбор в зависимости от среды
- Если в межтрубном пространстве чистая жидкость либо пар — треугольная 30°, даёт максимальную плотность и КПД.
- Среда, склонная к отложениям — квадратная 90° либо 45°: так сохраняется доступ к механической очистке.
- Если в межтрубном конденсируется пар — как правило, треугольная схема, однако с расширенным шагом (Pt = 1.33-1.5 do), чтобы конденсат свободно стекал.
- Кипение среды в межтрубном (kettle reboiler) — применяют квадратную компоновку, чтобы пар выходил беспрепятственно.
Упрощённое правило: при подготовке ТЗ для чистых сред выбирайте треугольную 30°, для загрязнённых — квадратную 90°. Финальное решение остаётся за тепловым расчётом — смотрите руководство по тепловому расчёту.
Материалы для трубок и корпуса
Наибольшую долю в цене и ключевое влияние на срок службы определяет именно материал трубок. Его подбирают исходя из среды, температуры, давления и необходимой коррозионной стойкости. Корпус (кожух) чаще обходится дешевле: его делают из углеродистой либо низколегированной стали, в отдельных случаях — плакированной.
| Материал | Среды | T макс | Цена отн. |
|---|---|---|---|
| Углеродистая сталь (Ст20, Ст10) | теплоноситель сетевой воды, пар, нефтепродукты, среды без коррозионной активности | 450°C | x1 (база) |
| Низколегированная (12Х1МФ, 15ХМ) | пар высоких температур, нефть, водород | 540°C | x1.5-2 |
| AISI 304 / 08Х18Н10 | пищевая отрасль, малоагрессивная химия, ГВС при опасности коррозии | 400°C | x3-4 |
| AISI 316L / 03Х17Н14М3 | хлоридные среды, кислоты умеренной агрессивности, пищевое производство | 400°C | x4-5 |
| Дуплекс (2205, 2507) | морская вода, агрессивные химические среды | 300°C | x6-8 |
| Медь (М1, М2) | вода без минерализации, хладагенты-фреоны, солевые рассолы | 250°C | x2-3 |
| Сплавы медно-никелевые (CuNi 90/10, 70/30) | морская вода, опреснительные установки, судовые системы охлаждения | 300°C | x5-7 |
| Титан (ВТ1-0, Grade 2) | морская вода, HCl, царская водка, плавательные бассейны с хлорированием | 350°C | x15-25 |
| Сплавы на основе никеля (Inconel, Hastelloy) | концентрированные кислоты, повышенные температуры, среды с водородом | 650°C | x20-40 |
Когда среда вызывает коррозию, подбор материала превращается в главный вопрос. Кожухотрубные аппараты в нержавеющем исполнении покрывают 80% задач со средней агрессивностью; детальнее о вариантах из нержавейки. Затем следуют дуплекс, сплавы меди с никелем и титан; последний необходим там, где есть морская вода и хлорированные бассейны.
Области применения трубчатых теплообменников
Пластинчатые ПТО действительно отняли часть рынка у КТТО в ЖКХ и пищевой отрасли, однако в тяжёлой промышленности трубчатые аппараты по-прежнему преобладают. Примерная структура мирового парка КТТО по отраслям такая:
Отраслевые задачи
- Нефтепереработка и нефтехимия — колонные ребойлеры, паровые конденсаторы, подогреватели сырой нефти, мазутные рекуператоры. Преимущественно floating head и U-trube, материалы 12Х1МФ, 15Х5М.
- ТЭЦ и котельные установки — подогрев сетевой воды, турбинные конденсаторы, маслоохладители. Обычно fixed tubesheet, материалы — углеродистая сталь и латунь.
- Газовый сектор и СПГ — теплообменники для низких температур, испарители СПГ. Используют специальные стали и дуплекс.
- ЦБК — подогрев чёрного и зелёного щёлока, охлаждение в циклах варки. Часто применяют floating head, дуплекс либо 904L.
- Опреснение и судовое оборудование — аппараты, работающие на морской воде. Материал исполнения — титан либо CuNi 90/10.
- Холодильное оборудование и аммиачные контуры — конденсаторы и испарители высокой мощности. Как правило, fixed.
В более простых системах — отоплении, ГВС, охлаждении станочного масла — стандартом уже давно служат аппараты пластинчатого типа. Для особо сложных условий — спиральные или кожухопластинчатые — это промежуточные решения между КТТО и ПТО.
Нормативная основа
Поскольку кожухотрубные теплообменники относятся к оборудованию под давлением, их проектирование, изготовление и эксплуатацию регламентируют международные и национальные нормативы.
Международные нормативы
- TEMA (9th Ed., 2019) — устанавливает буквенную классификацию типов, правила расчёта трубных решёток, перегородок и фланцев. Предусматривает три класса жёсткости: Class R (нефтепереработка и тяжёлая нефтехимия), Class C (химическая отрасль общего профиля), Class B (коммерческие низкотемпературные установки).
- ASME BPVC, Section VIII Div 1 и Div 2 — методика расчёта сосудов, работающих под давлением. Div 2 применяют для аппаратов высокого давления и условий усталостного нагружения.
- API 660 — трубчатые теплообменники для нефтегазового сектора. Нормативы строже, чем у TEMA Class R.
- API 661 — аппараты воздушного охлаждения и конденсаторы с вентиляторами.
- EN 13445 — европейский эквивалент ASME VIII, применяется в государствах ЕС.
Нормативы Казахстана и ЕАЭС
- стандарты ГОСТ и СТ РК — Сосуды и аппараты. Кожухотрубчатые теплообменные аппараты. Общие технические условия.
- стандарты ГОСТ и СТ РК — прочностной расчёт теплообменного оборудования.
- ГОСТ 14249-89 — расчёт сосудов и аппаратов на прочность.
- стандарты ГОСТ и СТ РК / API 660 — согласованный стандарт для нефтегазовой сферы.
- СН РК 4.02-01-2011, СН РК 4.02-04-2013, СН РК 4.01-02-2013, СН РК 4.02-04-2013 — регламентирует использование КТТО в отоплении, теплоснабжении, водоснабжении и ИТП.
- Правила промышленной безопасности при эксплуатации оборудования, работающего под избыточным давлением (ФНП) — эксплуатационные требования; в РФ введены приказом уполномоченным органом РК по промышленной безопасности № 536.
Подтверждение соответствия: Чтобы применять аппарат в Казахстане, нужна декларация ТР ТС 032/2013 «О безопасности оборудования, работающего под избыточным давлением». Для опасных производственных объектов потребуется паспорт по правилам промышленной безопасности, разрешение на применение и регистрация в уполномоченном органе.
Изготовители трубчатых теплообменников
Рынок КТТО локализован сильнее, чем рынок пластинчатых аппаратов: из-за больших габаритов перевозка обходится дорого, поэтому почти в каждой стране работают локальные изготовители. Далее — обзор брендов, доступных в Казахстане.
Производители из РФ
| Бренд | Профиль | Основные типы |
|---|---|---|
| КС НАШ БРЕНД | ТПЛ-Сервис выпускает КТТО собственными силами — для ЖКХ, промышленных объектов и ИТП | Конденсаторы поверхностного типа, Fixed и U-trube |
| РИДАН | экс-Danfoss, самый крупный в РК изготовитель ПТО, а КТТО выпускает ограниченными партиями | преимущественно пластинчатого типа; кожухотрубные — как опция |
| ЭТРА | ТО пластинчатые и кожухотрубные, а также водонагреватели ёмкостного типа | Для котельных и ИТП — исполнения Fixed и U-trube |
| ТТАИ | подогреватели скоростного типа: вода-вода и пар-вода | Исполнение Fixed (секции горизонтального типа) |
| ТИЖ | теплоинжиниринговые услуги, ТО ёмкостные и кожухотрубные | Поверхностные, с исполнением Fixed и U-trube |
| Машимпэкс | сборка и обслуживание Kelvion в РК, включая кожухотрубные | Промышленные серии с Fixed, U-trube и floating head |
Иностранные марки
| Бренд | Профиль |
|---|---|
| Alfa Laval | Уровень Premium: KTV, Olmi, Packinox — решения для тяжёлой химии, СПГ и нефтегаза |
| Kelvion (GEA) | линейка Shell & Tube, включая варианты с интегрированными рёбрами (high-flux), для холодильных циклов |
| Funke | для морской и судовой сферы — кожухотрубные FPDW, FP |
| Tranter | серия Maxchanger: пластинчатые и кожухопластинчатые (промежуточное исполнение) |
Когда нужно заменить импортный теплообменник на аппарат казахстанского производства, речь идёт о полном проекте: пересчёт, согласование материалов, нанесение на чертёж. Больше деталей — в нашей статье «Замена теплообменного аппарата» и обзоре теплообменников промышленного назначения.
Вопросы, которые возникают чаще всего
В чём различие трубчатого и кожухотрубного теплообменника?
Какой из типов КТТО обходится дешевле всего?
В каких случаях нельзя обойтись без аппарата с плавающей головкой?
Почему в ребойлерах часто выбирают U-trube?
Какой шаг труб выбрать при работе с чистой водой?
Какую сталь выбрать для труб, работающих с морской водой?
Каков срок службы трубчатого теплообменника?
Допустима ли замена кожухотрубного аппарата пластинчатым?
Каким образом очищают кожухотрубный теплообменник?
Что означает многоходовой теплообменник?
Как подобрать трубчатый теплообменник под конкретную задачу
Наши инженеры подбирают трубчатые теплообменники по заданным параметрам: давление, температуры, среды, необходимая мощность, желаемые габариты и материал. Когда нужно заменить импортный аппарат, мы выполняем пересчёт по тем же поверхностям и находим аналог казахстанского производства или бренда КС с идентичными присоединительными размерами.
Для расчёта нужны: технические условия (расход и температуры на входе/выходе для обеих сред), допустимые потери давления, требования к материалу, тип аппарата (если он уже выбран) и сроки. Затем мы предоставляем опросный лист, выполняем расчёт за 1-3 рабочих дня и направляем спецификацию с ценами. Типовые позиции берём со склада, нестандартные — изготовляем под заказ.
Материалы, которые могут пригодиться: как подобрать теплообменник, выполнение теплового расчёта, монтаж, принцип работы теплового пункта, вопросы и ответы. Каталог: кожухотрубные, для нагрева, под охлаждение, пластинчатые.
- Комментарии
