Типовые теплообменники (труба в трубе) предназначены для решения всего одной задачи – изменения температуры транспортируемой среды. Проще говоря: теплообменник нужен для охлаждения или нагрева прокачиваемых сквозь трубопровод жидкостей или газов.
Потребности в контроле температуры транспортируемой среды могут возникнуть в процессе эксплуатации любого трубопровода. В итоге, теплообменники типа «труба в трубе» можно встретить и в домашних сетях, и в промышленных линиях. Поэтому в данной статье мы рассмотрим конструкцию и методику расчета подобных устройств. С учетом распространенности теплообменников эта информация будет интересна самому широкому кругу читателей.
Теплообменные устройства: общие сведения
Работа теплообменника связана с необходимостью нагреть или охладить среду, циркулирующую в трубопроводе.
Поэтому все подобные устройства делятся на:
- Охладители – аппараты, снижающие температуру транспортируемой среды, за счет нагрева жидкости или газа в теплообменнике;
- Нагреватели – аппараты, повышающие температуру транспортируемой среды, за счет охлаждения циркулирующей в теплообменнике среды.
Схема работы первых устройств – охладителей – предполагает введение в теплообменник жидкости или газа с очень низкой температурой. И после контакта холодного теплообменника и разогретой среды в трубопроводе их температуры начнут выравниваться – циркулирующий в теплообменной сети теплоноситель нагреется, а прокачиваемая по трубопроводу среда – охладится.
Схема работы вторых устройств – нагревателей – основана на обратном эффекте. То есть, в теплообменник подается перегретая жидкость (или газ), которая нагреет транспортируемую по трубопроводу среду.
Виды теплообменников
По конструктивному исполнению теплообменные аппараты первого и второго типа (охладители и нагреватели) делятся на:
Поверхностные устройства, теплообмен в которых происходит за счет контакта сред через стенку (поверхность).- Регенеративные системы, которые поддерживают попеременную подачу в насадку-теплообменник то холодной, то горячей среды.
- Смесительные системы, основанные на прямом впрыске холодной или разогретой среды в трубопровод, транспортирующий жидкость или газ.
Причем самым простым и эффективным вариантом обеспечивающего тепловой обмен устройства является поверхностная схема типа «труба в трубе». И далее по тексту мы рассмотрим конструкцию именно такого аппарата.
Конструкция теплообменника (труба в трубе)
Спроектированные по принципу «труба в трубе» аппараты характеризуются следующими особенностями конструкции:
- Во-первых, такие устройства предполагает пакетную компоновку, когда несколько объединенных звеньев располагаются практически бок обок.
- Во-вторых, как устройства поверхностного типа, придерживающиеся принципа труба в трубе теплообменники, собираются путем инсталляции в трубопровод пакета труб меньшего диаметра, сквозь который будет пропускаться охлаждающая или нагревающая среда.
- В-третьих, исходя из принципа непрерывности, трубы теплообменников должны пронизывать внутреннее пространство трубопровода по всей длине транспортирующей системы. Причем для обеспечения ремонта сборку труб и теплообменника, и трубопровода реализуют с помощью разъемных соединений. То есть, всю конструкцию можно разобрать и собрать в любой момент.
- В-четвертых, сечение трубы в транспортирующем канале должно быть больше сечения трубы в канале теплообменника. Ведь помимо возможности инсталлировать теплообменник в трубопровод такое соотношение габаритов позволяет разогнать теплоноситель в охлаждающей или нагревающей системе до максимальной скорости.
- В-пятых, непрерывная схема «труба в трубе» дает возможность прокачивать сквозь систему любой объем транспортируемой жидкости или теплоносителя.
Преимущества теплообменников «труба в трубе»
Опираясь на описанные выше конструктивные особенности, подобные теплообменники приобретают следующий набор преимуществ:
Такой аппарат гарантирует оптимальный режим транспортировки жидкости. Ведь скорость течения теплоносителя и транспортируемой среды может быть практически любой. Ну а возможные недостатки можно откалибровать путем подбора диаметров труб теплообменника прямо в процессе сборки.- Теплообменные аппараты подобного типа не требуют особого внимания в процессе эксплуатации – чистка труб теплообменника и транспортной системы выполняется за считанные минуты. Кроме того, в случае поломки эти устройства можно отремонтировать за пару часов, путем демонтажа поврежденного модуля (отрезка) и установки новой детали с аналогичными характеристиками.
- Подобная конструкция не имеет ограничений по типу среды, используемой в системе транспортировки или теплообмена. То есть, сквозь подобный теплообменник можно прокачивать и воду, и пар, и вязкие жидкости, и газообразные среды.
Недостатки теплообменников
Впрочем, упомянутые выше особенности конструкции теплообменника являются причиной не только достоинств, но и недостатков.
Причем к числу недостатков схемы «труба в трубе» можно причислить следующее:
- Довольно значительные габариты системы. Ведь внутри транспортирующего канала размещается трубопровод теплообменника, в итоге, для сохранения прежней пропускной способности нужно увеличить диаметр основной (наружной) трубы.
- Высокую стоимость подобной системы. На создание такого теплообменника расходуется достаточно большой объем металла. А сам процесс сборки систем типа труба в трубе» требует привлечения квалифицированных и дорогостоящих специалистов.
- Сложный процесс расчета и проектирования подобных конструкций.
Причем последнему пункту следует уделить особое внимание. Поэтому далее по тексту мы рассмотрим нюансы процесса расчета и проектирования таких аппаратов.
Расчет и проектирование теплообменников «труба в трубе»
Процесс создания любого аппарата начинается с расчета его рабочих параметров и последующего проектирования устройства, способного реализовать эти параметры на практике.
Поэтому расчет теплообменника труба в трубе начинается с подбора конструкционного материала для системы транспортировки охлаждающей или нагревающей жидкости. Ведь теплопроводность трубы теплообменника будет зависеть именно от типа материала, из которого изготовят данную деталь.
Помимо конструкционного материала в проектировании теплообменников придется принять во внимание еще и такие параметры, как:
- Площадь поверхности теплообменника, которая зависит от габаритов «внутренней» трубы. Причем, чем больше площадь, тем эффективнее теплообмен.
- Разницу в температурах теплоносителя и транспортируемой среды. С ростом этой величины увеличивается эффективность теплообмена.
- Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи в системе, которые будут зависеть от множества параметров.
- Гидравлические характеристики работы системы транспортировки теплоносителя, зависящие от формы трубопроводов.
- Механическую прочность внешней и внутренней трубы, определяемую характеристиками трубного проката, задействованного в процессе сборки трубопровода.
Словом, расчет и проектирование – это очень сложная задача, выполнить которую может далеко не каждое конструкторское бюро. Поэтому в процессе сборки бытовых теплообменников лучше всего ориентироваться на табличные и справочные данные, увязывающие предполагаемые рабочие параметры с реальными габаритами труб и формами трубопроводов.