Котел-утилизатор

Котёл — котёл, использующий теплоту отходящих газов различных технологических установок —  дизельных или  газотурбинных установок, обжиговых и сушильных  барабанных печей, вращающихся и туннельных  технологических печей, мартеновских печей, установок крекинга.

       Теплообменник — техническое устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя средами, имеющими различные температуры.

              Принцип работы:

По принципу действия теплообменники подразделяются на рекуператоры и регенераторы. В рекуператорах движущиеся теплоносители разделены стенкой. К этому типу относится большинство теплообменников различных конструкций. В регенеративных теплообменниках горячий и холодный теплоносители контактируют с одной и той же поверхностью поочерёдно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдаётся при контакте с холодным.

               Применение:

      Теплообменники применяются в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической,  холодильной, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве^[1].

От условий применения зависит конструкция теплообменника. Существуют аппараты, в которых одновременно с теплообменом протекают и смежные процессы, такие как фазовые превращения, например, конденсация, испарение, смешение. Такие аппараты имеют свои наименования: конденсаторы, испарители.

В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также при взаимно поперечном движении двух взаимодействующих сред.

Устройство:

·         Кожухотрубные теплообменники. К корпусу, кожуху по торцам приварены трубные решетки, в которых закреплены пучки труб. В основном трубы в решетках крепятся с уплотнением развальцовкой или каким-то другим способом в зависимости от материала труб и давления в аппарате. Трубные решетки закрываются крышками на прокладках и болтах или шпильках. На корпусе имеются патрубки (штуцера), через которые один теплоноситель проходит через межтрубное пространство. Второй теплоноситель через патрубки (штуцера) на крышках проходит по трубам. В многоходовом теплообменнике в корпусе и крышках установлены перегородки для повышения скорости теплоносителей. Для увеличения теплоотдачи применяют оребрение теплообменных труб, которое выполняется или накаткой, или навивкой ленты. В случае необходимости, конструкция аппарата должна предусматривать его очистку.

        Базовое устройство и классификация теплообменников

       Принципиальная схема кожухотрубного теплообменника не зависит от его типа: два теплоносителя подаются через входные фланцы и проходят сквозь теплообменник, не смешиваясь: один – сквозь трубный пучок, другой – внутри корпуса, омывая при этом трубы с первым теплоносителем. В процессе происходит передача тепловой энергии от одного теплоносителя другому сквозь стенки труб трубного пучка. Существует технологический нюанс: нагрев или охлаждение теплоносителя вызывает температурную деформацию, расширение или сжатие, элементов теплообменника – труб, трубной решётки, корпуса.

Если разница температур невелика, то и деформация незначительна. При существенной разнице возникает механическое напряжение в местах соединения элементов с различной температурой, что может привести к повреждению этих соединений или самих элементов. Для смягчения этого эффекта применяются некоторые модификации базового устройства кожухотрубного теплообменника.

Принятая техническая классификация подразумевает использование буквенных обозначений «Н», «К», «П», «У» и «ПК» для различных типов кожухотрубчатых теплообменников:

• тип «Н» – с неподвижно закреплёнными трубными решётками;
• тип «П» – с «плавающей» головкой;
• тип «К» – с температурными компенсаторами на кожухе;
• тип «У» – с трубами, напоминающими формой латинскую букву «U»

Модификации конструкции обуславливают не только температурные технические характеристики агрегата, но и нюансы обслуживания при эксплуатации кожухотрубного теплообменника.

1. Тип «Н».

        В агрегате данного типа трубные решётки в количестве 2-х шт. с закреплёнными в них противоположными концами труб фиксируются в корпусе теплообменника неподвижно. Трубы имеют прямую форму; отверстия труб выходят в противостоящие друг другу распределительные камеры, закреплённые на корпусе фланцевым соединением. Подача и вывод теплоносителей осуществляются через штуцеры на кожухе и распределительных камерах (в случае многоходовых теплообменников – на передней камере).

        К достоинствам данной конструкции можно причислить прежде всего её простоту и, как следствие, отсутствие дополнительных этапов при производстве, влияющих на общую стоимость агрегата. Малое количество деталей придаёт агрегату дополнительную надёжность и упрощает техническое обслуживание. В качестве дополнительного преимущества можно упомянуть возможность механической очистки внутренней поверхности труб, для осуществления которой достаточно снять распределительные камеры с кожуха.

       Ввиду отсутствия элементов, компенсирующих температурные деформации материала труб и кожуха, теплообменники типа «Н» рассчитаны на использование в условиях, когда с разница температур теплоносителей не превышает 50 градусов Цельсия. Однако, для большинства производственных и хозяйственных нужд такой диапазон достаточен; недорогие и надёжные, кожухотрубные теплообменники типа «Н» являются наиболее распространёнными и используются в качестве водо-водяных подогревателей, охладителей воды и масла, испарителей, конденсаторов и др.

2. Тип «П».

     В отличие от типа «Н», в теплообменниках типа «П» (с плавающей головкой) одна из трубных решёток не закрепляется на кожухе, и может в определённых пределах двигаться вдоль него. Таким образом, появляется некоторая свобода для удлинения или сжатия труб под влиянием нагрева или охлаждения. Для обеспечения герметичности системы прохождения теплоносителя, подвижная решётка снабжается собственной крышкой, образующей вместе с решёткой «плавающую» головку (распределительную камеру), давшую название данному типу теплообменников. 

    Теплообменники с плавающей головкой рассчитаны на эксплуатацию при разнице в температурах рабочих сред в 100 и более градусов Цельсия, благодаря чему могут использоваться для специфического круга задач.

3.     Тип «К».

        При нагреве или охлаждении температурные деформации характерны не только для внутренних элементов теплообменника, но и для его кожуха. Для их нивелирования на агрегатах типа «К» предусмотрены компенсаторы – линзовые. Компенсаторы охватывают кожух теплообменника и пружинно расширяющиеся или сжимающиеся при изменении температуры кожуха.

 

        Использование компенсаторов на кожухе значительно увеличивает температурный диапазон теплообменников «К» в сравнении с агрегатами типа «Н». Но, поскольку компенсаторы выполняются, как правило, методом вваривания сложных фигурных кольцевых элементов в разрез корпуса, увеличивается и себестоимость таких теплообменников; наличие сварных швов усложняет процесс производства и тестирования агрегата.

4.   Тип «У».

       В теплообменниках данного типа, в отличие от всех перечисленных выше видов, используются не прямые, а U-образные трубы, которые за счёт своей формы компенсируют температурное расширение материала. Трубная решётка одна; распределительная камера также одна, разделённая на две части – вводную и выпускную.

       Достоинством такой конструкции является её относительная простота, сравнимая с простотой агрегатов типа «Н». Недостатками являются затруднённость механической очистки внутренней поверхности труб и то, что замена единственной трубы в случае её повреждения, как правило, требует полного демонтажа всех остальных труб пучка, что экономически не оправдано. Кроме того, форма труб усложняет их плотное взаимное размещение, что сказывается на характеристиках теплоотдачи.

     Следует отметить, что при равных соотношениях площадей и одинаковом материале труб трубного пучка, все типы теплообменников будут обладать фактически равнозначными показателями теплообмена. Подбор кожухотрубного теплообменника (для новой линии или взамен выработавшего свой ресурс агрегата) в данном случае должен осуществляться по другим параметрам – температурной разнице сред, принципу подключения к системе подачи/отвода теплоносителей и предельному расчётному давлению в системе. Предпочтительными в данном случае являются современные теплообменники, рассчитанные и произведенные на специальном оборудовании, по индивидуальному заказу, с учётом абсолютно всех технологических нюансов.