Трубное или межтрубное пространство? Как распределить среды в кожухотрубном теплообменнике
Решение о том, какая среда пойдёт внутри труб, а какая в межтрубном пространстве, — один из первых выборов при проектировании кожухотрубного теплообменника. От него зависят цена, материалы, способ очистки аппарата и срок его службы. Покупатели часто оставляют этот выбор поставщику, но покупатель обычно знает то, чего не знает поставщик: какая среда даёт отложения, какая коррозионно-активна, как на предприятии чистят оборудование и что произойдёт, если одна среда протечёт в другую.
В этой статье собраны практические правила, которыми пользуются инженеры, показано, где они противоречат друг другу, и перечислено, что нужно сообщить поставщику, чтобы распределение сред в предложении подходило для вашего предприятия. В каталоге продукции на этом сайте есть кожухотрубные теплообменники с неподвижными трубными решётками, с U-образными трубами, с плавающей головкой и с сальниковым уплотнением. Для конкретной задачи отправьте данные по обеим средам через форму запроса предложения.
1. Обычные правила вкратце
Таблица объединяет два широко используемых источника: правила распределения сред из книги Sinnott Coulson & Richardson's Chemical Engineering, Volume 6 и колонку Andrew Sloley о выборе правильной стороны в журнале Chemical Processing. Оба автора подчёркивают, что это рекомендации, а не законы.
| Ситуация | Обычная сторона | Почему |
|---|---|---|
| Более высокое давление | Трубное пространство | Трубы малого диаметра выдерживают высокое давление при меньшей массе металла, чем корпус большого диаметра, поэтому трубы высокого давления дешевле корпуса высокого давления |
| Коррозионная среда | Трубное пространство | Дорогой сплав нужен только для труб, трубных решёток, распределительных камер и крышек; коррозионная среда в межтрубном пространстве означает сплав для всего аппарата |
| Среда, склонная к загрязнению | Трубное пространство | Прямые трубы легче чистить, чем межтрубное пространство, а в трубах можно поддерживать высокую скорость, которая уменьшает отложения |
| Высокая температура | Трубное пространство | Если температура требует специальных сплавов, их нужно меньше; при умеренных температурах более холодный корпус требует меньше теплоизоляции |
| Пары | Межтрубное пространство | У паров большой объём и низкий коэффициент теплоотдачи; межтрубное пространство даёт большее проходное сечение и меньшее гидравлическое сопротивление |
| Конденсирующаяся среда | Чаще всего межтрубное пространство | Осторожно со смесями, которые конденсируются в широком диапазоне температур |
| Вязкая жидкость | Межтрубное пространство, если течение турбулентное | Перегородки создают турбулентность при низких числах Рейнольдса; по Sinnott, граница турбулентного течения в межтрубном пространстве — около Re 200 |
| Меньший расход | Межтрубное пространство | Sinnott отмечает, что обычно это даёт самую экономичную конструкцию |
Классический пример — охлаждающая вода. Она даёт отложения и может быть коррозионно-активной, поэтому обычно её направляют в трубы, где их можно чистить и изготовить из более стойкого материала, не удорожая весь аппарат.
2. Гидравлическое сопротивление: здесь источники расходятся
По гидравлическому сопротивлению два источника указывают в разные стороны. Sinnott пишет, что при одинаковом гидравлическом сопротивлении в трубном пространстве коэффициент теплоотдачи выше, поэтому среду с наименьшим допустимым гидравлическим сопротивлением следует направлять в трубы. Sloley пишет, что среду с малым допустимым сопротивлением следует направлять в межтрубное пространство, потому что вырез, шаг и тип перегородок можно подобрать почти под любое ограничение по сопротивлению, а среды под вакуумом почти всегда идут в межтрубном пространстве.
Практический вывод: если конструкцию определяет допустимое гидравлическое сопротивление, никакое правило вопрос не решает. Попросите поставщика рассчитать оба варианта распределения и сравнить поверхность, сопротивление и цену.
3. Тип конструкции меняет ответ
Приведённые правила предполагают, что обе стороны можно чистить. Это зависит от конструкции аппарата.
| Конструкция | Влияние на распределение сред |
|---|---|
| С неподвижными трубными решётками | Трубный пучок нельзя извлечь, поэтому межтрубное пространство нельзя чистить механически. По Sloley, неподвижные трубные решётки требуют чистой среды в межтрубном пространстве, если только отложения не удаляются легко химическим способом. Большая разность температур между корпусом и трубами может потребовать ещё и компенсатора |
| С U-образными трубами | Пучок можно извлечь, поэтому межтрубное пространство можно чистить. U-образные трубы изнутри чистить труднее, чем прямые, поэтому среду, склонную к загрязнению, иногда направляют в межтрубное пространство, применяя, например, винтовые перегородки |
| С плавающей головкой | Обе стороны можно чистить, пучок можно извлечь, но стоимость выше |
Поэтому распределение сред и конструкцию нужно выбирать вместе. Если на вашем предприятии возможна только химическая очистка циркуляцией, сообщите об этом; если трубы можно чистить водой высокого давления, но нет места для извлечения пучка, сообщите и об этом.
4. Когда правила противоречат друг другу
В реальных задачах два правила часто тянут в разные стороны. Несколько типичных случаев:
- Чистая среда высокого давления против загрязняющей воды низкого давления. По давлению в трубы должна идти чистая среда, по загрязнению — вода. Ответ зависит от того, насколько высоко давление, как быстро вода даёт отложения и как будет чиститься аппарат.
- Вязкая среда, которая к тому же даёт отложения. Межтрубное пространство даёт лучшую теплоотдачу, но для его очистки нужен извлекаемый пучок и такая разбивка труб, которая оставляет проходы для очистки. Sloley также предупреждает, что высокое гидравлическое сопротивление в межтрубном пространстве может вызвать байпасирование потока в обход перегородок и вибрацию труб.
- Среда, которая может затвердеть. Sloley советует не применять кожухотрубный аппарат, если риск затвердевания высок. Если без него не обойтись, направляйте такую среду в трубы: тогда забитый пучок можно извлечь и заменить.
Если ситуация неясна, попросите поставщика оценить и рассчитать оба варианта распределения. Разница в поверхности и стоимости часто меньше, чем ожидается, а два варианта рядом делают компромисс наглядным.
5. Два частых случая
Паровые подогреватели. Конденсирующийся пар обычно идёт в межтрубном пространстве, а технологическая среда — в трубах. Тогда в межтрубном пространстве нужны хороший отвод конденсата и отвод неконденсирующихся газов. О проблемах конденсата и запирания, общих для всех паровых подогревателей, читайте в нашем руководстве о пластинчатых теплообменниках на паре.
Охладители с водяным охлаждением. Охлаждающая вода идёт в трубах, технологическая среда — в межтрубном пространстве. При морской воде главным решением становится материал труб; смотрите чек-лист по судовым теплообменникам и теплообменникам для морской воды.
6. Если среды ни в коем случае не должны смешиваться
Само по себе распределение сред не предотвращает утечку. Если одна среда ни в коем случае не должна попасть в другую, например потому что они реагируют между собой или продукт нельзя загрязнять, обсудите это с поставщиком с самого начала. Две распространённые меры — двойная трубная решётка и правило по давлениям. Двойная трубная решётка выводит наружу, а не в другую среду, утечку в местах крепления труб в решётке; при разрушении стенки самой трубы она не помогает, поэтому спросите поставщика, как учтён и этот случай, например через материал и толщину стенки труб, испытания на герметичность и контроль. Если поддерживать более ответственную среду при более высоком давлении, любая утечка, в том числе через стенку трубы, пойдёт из неё, а не в неё.
7. Что сообщить поставщику
| По каждой среде | Почему это важно |
|---|---|
| Рабочее и расчётное давление | Определяет, какой стороне нужен расчёт на давление |
| Рабочая и расчётная температура | Определяет материалы, теплоизоляцию и температурные расширения |
| Расход и допустимое гидравлическое сопротивление | Определяют скорости и конструкцию перегородок |
| Склонность к загрязнению, твёрдые частицы и термическое сопротивление загрязнений, если известно | Определяет, какую сторону нужно иметь возможность чистить |
| Коррозионные компоненты, например хлориды, H2S или кислоты | Определяют, какой стороне нужен сплав |
| Вязкость во всём диапазоне температур | Определяет, возможна ли турбулентность в межтрубном пространстве |
| Фазовый переход | Конденсация или кипение и в каком диапазоне температур |
| Способ очистки на месте | Механическая, водой высокого давления или химическая, и есть ли место для извлечения пучка |
| Последствия утечки | Нужна ли двойная трубная решётка или правило по давлениям |
Попросите поставщика указать в опросном листе, какая среда идёт по какой стороне и почему, и отметить правила, от которых он решил отступить. Смотрите также какие данные отправить перед запросом цены на теплообменник и чек-лист по производителям кожухотрубных теплообменников.
8. Что это значит для покупателей
Большинство решений о распределении сред подчиняется нескольким простым правилам: давление, коррозия и загрязнение обычно отправляют среду в трубы, а пары, конденсирующиеся среды, вязкие жидкости и малые расходы обычно идут в межтрубном пространстве. Тип конструкции и доступные на предприятии способы очистки могут изменить этот ответ, а некоторые правила, например правило о гидравлическом сопротивлении, зависят от конкретной конструкции. С поставщиком, который письменно объясняет выбранное распределение и рассчитывает альтернативу, когда варианты близки, работать проще, чем с тем, кто просто заполняет опросный лист.
Источники и связанные страницы
- Andrew Sloley, «Shell-and-Tube Heat Exchanger: Pick the Right Side», Chemical Processing, 2013: https://www.chemicalprocessing.com/processing-equipment/fluid-handling/article/11340603/shell-and-tube-heat-exchanger-pick-the-right-side-chemical-processing
- R. K. Sinnott, Coulson & Richardson's Chemical Engineering, Volume 6: Chemical Engineering Design, раздел о распределении сред (межтрубное пространство или трубы)
- Кожухотрубные теплообменники на HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/ru/products/siping-viex-heat-exchange-equipment-co-ltd/tubular-heat-exchanger
- Руководство по выбору между пластинчатым и кожухотрубным теплообменником на HeatEx Direct: https://heatexdirect.com/ru/industry-news/posts/plate-heat-exchanger-vs-shell-and-tube-selection-guide