Кожухотрубні теплообмінники відносяться до найбільш поширених апаратів. Їх застосовують для теплообміну і термохімічних процесів між різними рідинами, парами і газами - як без зміни, так і зі зміною їх агрегатного стану.
Кожухотрубні теплообмінники з'явилися на початку ХХ століття в зв'язку з потребами теплових станцій в теплообмінниках з великою поверхнею, таких, як конденсатори і підігрівачі води, що працюють при відносно високому тиску. Кожухотрубні теплообмінники застосовуються в якості конденсаторів, підігрівачів і випарників. В даний час їх конструкція в результаті спеціальних розробок з урахуванням досвіду експлуатації стала набагато більш досконалою. У ті ж роки почалося широке промислове застосування кожухотрубних теплообмінників в нафтовій промисловості. Для експлуатації в важких умовах потрібні були нагрівачі та охолоджувачі маси, випарники і конденсатори для різних фракцій сирої нафти і супутніх органічних рідин. Теплообмінникам часто доводилося працювати із забрудненими рідинами при високих температурах і тисках, і тому їх необхідно було конструювати так, щоб забезпечити легкість ремонту та очищення.
З роками кожухотрубні теплообмінники стали найбільш широко застосовуваним типом апаратів. Це обумовлено перш за все надійністю конструкції, великим набором варіантів виконання для різних умов експлуатації, зокрема:
- однофазні потоки, кипіння і конденсація по гарячої та холодної сторонам теплообмінника з вертикальним або горизонтальним виконанням
- діапазон тиску від вакууму до високих значень
- в широких межах змінюються перепади тиску по обидва боки внаслідок великої різноманітності варіантів
- задоволення вимог по термічним напруженням без істотного підвищення вартості апарату
- розміри від малих до гранично великих (5000 м 2)
- можливість застосування різних матеріалів відповідно до вимог до вартості, корозії, температурному режиму і тиску
- використання розвинених поверхонь теплообміну як всередині труб, так і зовні, різних інтенсифікаторів і т.д.
- можливість вилучення пучка труб для очищення та ремонту
Однак таке широке розмаїття умов застосування кожухотрубних теплообмінників і їх конструкцій жодним чином не повинно виключати пошук інших, альтернативних рішень, таких, як застосування пластинчастих, спіральних чи компактних теплообмінників в тих випадках, коли їх характеристики виявляються прийнятними і їх застосування може призвести до економічно більш вигідним рішенням.
Кожухотрубні теплообмінники складаються з пучків труб, укріплених в трубних дошках, кожухів, кришок, камер, патрубків та опор. Трубне і межтрубное простору в цих апаратах роз'єднані, причому кожне з них може бути розділене перегородками на кілька ходів. Класична схема кожухотрубчасті теплообмінника показана на малюнку:
Теплопередающей поверхню апаратів може становити від декількох сотень квадратних сантиметрів до кількох тисяч квадратних метрів. Так, конденсатор парової турбіни потужністю 150 Мвт складаються з 17 тисяч труб із загальною поверхнею теплообміну близько 9000 м 2.
Схеми кожухотрубчастих апаратів найбільш поширених типів представлені на малюнку:
Кожух (корпус) кожухотрубчасті теплообмінника є трубою, зварену з одного або декількох сталевих листів. Кожухи розрізняються головним чином способом з'єднання з трубною дошкою і кришками. Товщина стінки кожуха визначається тиском робочого середовища і діаметром кожуха, але повинна бути не менше 4 мм. До циліндричним крайках кожуха приварюють фланці для з'єднання з кришками або днищами. На зовнішній поверхні кожуха прикріплюють опори апарату.
Трубчатка кожухотрубчасті теплообмінників виконується з прямих або вигнутих (U-образних або W-образних) труб діаметром від 12 до 57 мм. Слід надавати перевагу сталеві безшовні труби.
У кожухотрубних теплообмінниках прохідний перетин міжтрубному простору в 2-3 рази більше прохідного перетину всередині труб. Тому при рівних витратах теплоносіїв з однаковим фазовим станом коефіцієнти тепловіддачі на поверхні міжтрубному простору невисокі, що знижує загальний коефіцієнт теплопередачі в апараті. Пристрій перегородок в міжтрубному просторі кожухотрубчасті теплообмінника сприяє збільшенню швидкості теплоносія і підвищенню ефективності теплообміну.
Трубні дошки (решітки) служать для закріплення в них пучка труб за допомогою розвальцьовування, разбортовкі, заварки, запаювання або сальникових кріплень. Трубні дошки приварюють до кожуха (мал. А, в), затискають болтами між фланцями кожуха і кришки (рис. Б, г) або з'єднують болтами тільки з фланцем вільної камери (рис. Д, е). матеріалом дощок служить зазвичай листова сталь товщиною не менше 20 мм.
Кожухотрубчасті теплообмінники можуть бути жорсткою (рис. А, к), нежорсткій (рис. Г, д, е, з, і) і полужесткой (рис. Б, в, ж) конструкції, одноходові і багатоходові, прямоточні, протиточні і поперечноточние, горизонтальні, похилі і вертикальні.
На малюнку а) зображений одноходовой теплообмінник з прямими трубками жорсткої конструкції. Кожух і трубки пов'язані трубними гратами і тому немає можливості компенсації теплових подовжень. Такі апарати прості по пристрою, але можуть застосовуватися тільки при порівняно невеликих різницях температур між корпусом і пучком труб (до 50 о С). Вони мають низькі коефіцієнти теплопередачі внаслідок незначної швидкості теплоносія в міжтрубному просторі.
У кожухотрубних теплообмінниках прохідний перетин міжтрубному простору в 2-3 рази більше прохідного перетину трубок. Тому при однакових витратах теплоносіїв, що мають однакове агрегатний стан, коефіцієнти тепловіддачі на поверхні міжтрубному простору невисокі, що знижує коефіцієнт теплопередачі в апараті. Пристрій перегородок в міжтрубному просторі сприяє збільшенню швидкості теплоносія і підвищенню коефіцієнта теплопередачі. На малюнку 1, б зображений теплообмінник з поперечними перегородками в міжтрубномупросторі і полужесткой мембранної компенсацією теплових подовжень внаслідок деякої свободи переміщення верхньої трубної дошки.
У парорідинних теплообменниках пар проходить зазвичай в міжтрубному просторі, а рідина - по трубах. Різниця температур стінки корпусу і труб зазвичай значна. Для компенсації різниці теплових подовжень між кожухом і трубами встановлюють лінзові (рис. В), сальникові (рис. З, і) або сильфонні (рис. Ж) компенсатори.
Для усунення напружень в металі, обумовлених тепловими подовженнями, виготовляють також однокамерні теплообмінники з гнутими U- і W-образними трубами. Вони доцільні при високому тиску теплоносіїв, так як виготовлення водяних камер і кріплення труб в трубних дошках в апаратах високого тиску - операції складні і дорогі. Однак апарати з гнутими трубами не можуть отримати широкого поширення через труднощі виготовлення труб з різними радіусами вигину, складності заміни труб і незручності чистки гнутих труб.
Компенсаційні пристрої складні у виготовленні (мембранні, сильфонні, з гнутими трубами) або недостатньо надійні в експлуатації (лінзові, сальникові). Більш досконала конструкція теплообмінника з жорстким кріпленням однієї трубної дошки і вільним переміщенням другої дошки разом з внутрішньою кришкою трубної системи (рис. Е). деяке подорожчання апарату через збільшення діаметра корпусу і виготовлення додаткового днища виправдовується простотою і надійністю в експлуатації. Ці апарати отримали назву теплообмінників «з плаваючою головкою». Теплообмінники з поперечним струмом (рис. К) відрізняються підвищеним коефіцієнтом тепловіддачі на зовнішній поверхні внаслідок того, що теплоносій рухається поперек пучка труб. При перехресному струмі знижується різниця температур між теплоносіями, однак при достатньому числі трубних секцій відмінність в порівнянні з протитечією невелика. У деяких конструкціях таких теплообмінників при протіканні газу в міжтрубному просторі і рідини в трубах для підвищення коефіцієнта тепловіддачі застосовують труби з поперечними ребрами.