Какие бывают теплообменники: виды по назначению и конструкции, как выбрать тип

Теплообменник — аппарат, который передаёт тепло от одной среды к другой через стенку, не смешивая их. Виды различают по двум признакам: по назначению — теплообменник, холодильник, конденсатор, испаритель — и по конструкции: кожухотрубные ТН, ТК, ТП и ТУ, испарители с паровым пространством и термосифонные, аппараты «труба в трубе».

Изготавливаем кожухотрубные аппараты всех четырёх назначений и «труба в трубе»; пластинчатых теплообменников в нашей номенклатуре нет. Ниже — как устроена классификация, какой тип под какую задачу и где о каждом прочитать подробнее.

Что такое теплообменник простыми словами и как его ещё называют

ГОСТ 31842-2012 определяет теплообменный аппарат как аппарат для передачи тепла при неизотермических условиях эксплуатации — то есть когда у сред разная температура. Горячая и холодная среды идут по разные стороны стенки. В кожухотрубном аппарате одна течёт внутри труб — это трубное пространство, другая омывает трубы снаружи, внутри кожуха, — межтрубное. Устройство и термины разобраны в статье что такое кожухотрубный теплообменник.

Названий у аппарата несколько. «Теплообменный аппарат» — термин стандарта; «кожухотрубный» или «кожухотрубчатый» — название по конструкции. По назначению тот же аппарат называют холодильником, конденсатором или испарителем, а испаритель в технологической установке — ещё ребойлером; наш аппарат из примера ниже, который вырабатывает водяной пар, назван ребойлером и парогенератором.

Как выглядит кожухотрубный теплообменник: стальной цилиндр — горизонтальный на седловых опорах или вертикальный — с распределительной камерой на торце и штуцерами входа и выхода каждой среды. Ориентацию задаёт буква в обозначении: Г — горизонтальный, В — вертикальный. Для масштаба: наш холодильник 600ХНГ — 3880 мм в длину при наибольшем диаметре 740 мм.

Какие бывают теплообменники по назначению

В обозначении по ТУ 3612-001-85873787-2020 назначение — первая буква: Т — теплообменник, Х — холодильник, К — конденсатор, И — испаритель. Конструкция у них общая — трубы, трубные решётки, кожух; различаются задача и условия в каждой полости.

• Теплообменник (Т) — нагревает или охлаждает одну среду за счёт другой.
• Холодильник (Х) — охлаждает продукт охлаждающей средой.
• Конденсатор (К) — переводит пары в жидкость, отводя тепло охлаждающей средой.
• Испаритель (И) — переводит жидкость в пар за счёт тепла теплоносителя.

Назначение меняет пределы. По ТУ 3612-024 у теплообменников и испарителей ТН, ТК, ИН, ИК среды и в трубах, и в кожухе — от −70 до +350 °C. У холодильников и конденсаторов в кожухе — от −20 до +300 °C, а в трубах только от −20 до +60 °C. В наших холодильнике и конденсаторе из примера ниже по трубам идёт охлаждающая вода.

Граница между «теплообменником» и «холодильником» в типовом ряду бывает формальной. По сноске 3 к таблице 1 того же ТУ в качестве холодильников ХН и ХК с кожухом 159, 273, 325 и 400 (426) мм со стальными трубами следует применять аппараты ТН и ТК. Сам ХК в этих диаметрах предусмотрен только в исполнении М3 с латунными трубами (сноска 4), а ХН в них не изготавливается.

Какие бывают по конструкции: типы кожухотрубных аппаратов и «труба в трубе»

ГОСТ 31842-2012 (п. 4.2) делит стальные кожухотрубчатые аппараты по устройству трубного пучка и для каждого типа перечисляет, какими по назначению они бывают:

• Н — с неподвижными трубными решётками: теплообменники, холодильники, конденсаторы, испарители, вакуумные конденсаторы, термосифонные испарители;
• К — с неподвижными трубными решётками и температурным компенсатором на кожухе: теплообменники, холодильники, конденсаторы, вакуумные конденсаторы, термосифонные испарители;
• П — с плавающей головкой: теплообменники, холодильники, конденсаторы, термосифонные испарители;
• У — с U-образными трубами: теплообменники;
• ИП, ИУ — испарители с паровым пространством;
• ПК — с плавающей головкой и компенсатором на ней: теплообменники.

Первые четыре различаются тем, как конструкция переносит разное удлинение труб и кожуха и вынимается ли пучок: у Н и К он неподвижен, у П и У — извлекаемый. Пределы по давлению и температуре и выбор между ними — в статье ТН, ТК, ТП или ТУ: как выбрать тип.

У испарителей два своих исполнения. В испарителе с паровым пространством — ИП с плавающей головкой или ИУ с U-образными трубами, ТУ 3612-013, — над трубным пучком в кожухе оставлен объём, где пар отделяется от жидкости. Термосифонные испарители — ИНТ, ИКТ и ИПТ по ТУ 3612-005 — названы по принципу работы: испаряемая среда циркулирует без насоса, за счёт разницы плотностей жидкости и парожидкостной смеси. ИНТ и ИКТ — вертикальные, ИПТ — горизонтальные, с трубами длиной 3000 или 6000 мм.

«Труба в трубе» устроена иначе: теплообменная труба проходит внутри кожуховой, одна среда идёт по трубе, другая — по кольцевому зазору. По ТУ 3612-014 это четыре типа с поверхностью от 0,11 до 93,0 м² и давлением в трубах до 16,0 МПа; типы и размеры — на странице теплообменники «труба в трубе» ТТОН, ТТОР, ТТМ, ТТРМ.

Пластинчатые теплообменники — отдельный класс аппаратов: поверхность у них набрана из пластин, а не из труб. ГОСТ 31842-2012 и наши технические условия их не охватывают, поэтому их характеристики здесь не приводим.

Где применяют теплообменники и где они стоят

ГОСТ 31842-2012 написан для нефтяной, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и смежных отраслей. Он охватывает аппараты на расчётное давление до 21 МПа, под вакуумом с остаточным давлением не ниже 665 Па, при температуре стенки не ниже −70 °C.

Типовые ряды ТУ уже этих рамок — у каждого типа свой потолок давления. Наши ТУ 3612-001-85873787-2020 объединяют все эти типы и задают общие пределы: давление до 16 МПа в обеих полостях, температура до +700 °C. Кроме типовых, в их перечень входят аппараты специального назначения ТСН — по техническому проекту — и ТТЗ различного назначения — по техническому заданию заказчика.

Где стоит теплообменник на установке, видно по средам в его паспорте. В наших проектах это охлаждение дизельного топлива водой, конденсация аммиака, выработка пара от горячего термомасла, нагрев воды паром, нагрев насыщенного амина паром в ребойлере, охлаждение антифриза оборотной водой.

Как выбрать тип теплообменника: пять вопросов по порядку

• Что происходит со средой — нагрев, охлаждение, конденсация или испарение. Ответ даёт назначение и первую букву обозначения.
• Какая нужна поверхность. «Труба в трубе» начинается с 0,11 м², ряд ТУ кожухотрубных доходит до 1370 м². ТТОН и ТТРМ держат в трубах до 16,0 МПа при поверхности до 4,45 и 4,6 м² — при малой поверхности и высоком давлении стоит рассмотреть «труба в трубе».
• Какое давление в каждой полости. По ТУ 3612-024 ТК — не выше 1,6 МПа, ТН — до 4,0 МПа; по ТУ 3612-023 ТП — до 8,0 МПа, ТУ — до 6,3 МПа.
• Насколько различаются температуры труб и кожуха. Чем больше разница, тем сильнее довод за компенсатор, плавающую головку или U-образные трубы.
• Нужно ли механически чистить межтрубное пространство. Тогда нужен извлекаемый пучок с трубами по квадрату или разборный аппарат «труба в трубе».

Для испарителя добавляется вопрос, чем греть. ИН и ИК по ТУ 3612-024 бывают двух исполнений по теплоносителю: 1 — жидкий, газообразный, парогазовый или парожидкостный, 2 — пар. Исполнение входит в обозначение аппарата, поэтому теплоноситель называют в заявке сразу.

Пример: парогенератор, холодильник и конденсатор — одна конструкция, три назначения

Парогенератор (ребойлер) на 7,0 т/ч пара. В межтрубном пространстве вода входит при 104 °C, пар выходит при 187 °C, рабочее давление — 2,0 МПа; в трубах термомасло остывает с 280 до 240 °C. Пучок U-образный, внутренние диаметры аппарата — 690 и 1400 мм, для указателей уровня воды — четыре патрубка. По устройству — U-образный пучок в расширенном корпусе с объёмом над ним — он близок к испарителю с паровым пространством типа ИУ; это наше сопоставление, а не тип из его обозначения.

Холодильник 600ХНГ. В межтрубном пространстве дизельное топливо охлаждается с 90 до 60 °C, в трубах вода нагревается с 30 до 50 °C. Рабочее давление — 0,45 МПа в межтрубном и 0,3 МПа в трубах, расчётное — 1,0 МПа в обоих; пучок — 380 труб ø20×2 мм, поверхность 71,6 м². Межтрубное пространство с пожароопасным топливом отнесено к 1-й группе, трубное с водой — к 4-й.

Конденсатор 800КТГ. Аммиак конденсируется в межтрубном пространстве под рабочим давлением 2,0 МПа, в трубах — вода под 0,6 МПа. 394 трубы 25×2,5 мм дают 121 м²; снизу у кожуха ⌀800 мм — отстойник-сборник ⌀325 мм.

Во всех трёх аппаратах те же основные части — кожух, трубный пучок, трубная решётка. Назначение определило остальное: какая среда идёт в трубы, какое давление у каждой полости, нужен ли объём над пучком или сборник снизу.

Что указать в заявке, чтобы подобрать тип

• Назначение: нагрев, охлаждение, конденсация или испарение — и чем: водой, паром, термомаслом, другой средой.
• Среды каждой полости: состав, физическое состояние, класс опасности, пожаро- и взрывоопасность.
• Рабочее и расчётное давление, температуры на входе и выходе — отдельно для трубного и межтрубного пространства.
• Поверхность теплообмена или тепловую задачу: сколько среды и с какой до какой температуры нагреть, охладить, сконденсировать или испарить.
• Нужна ли механическая чистка и какой стороны — труб изнутри или межтрубного пространства.
• Ориентацию — горизонтальный или вертикальный — и климат площадки.

Если не ясно, какой тип нужен, — скачайте опросный лист, заполните его отдельно для трубного и межтрубного пространства и приложите к заявке: инженеры ПЗЭМ разберут условия и предложат тип и исполнение.