Теплообменник; труба в трубе; конструкция и расчет

Теплообменник «труба в трубе» — конструкция и расчет

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.

Конструкционные особенности

Данную группу аппаратов относят к поверхностным тепловым приборам. Устройство теплообменника труба в трубе не отличается особой сложностью. Чаще всего в состав теплообменника входит несколько элементов: их располагают друг над другом, соединяя между собой специальным креплением. В состав каждого отдельного звена входят вставленные друг в друга трубы, предназначенные для теплообмена между собой. Внешнюю трубу большего диаметра соединяют с аналогичными элементами соседних отделений.

Это же касается и расположенных внутри труб меньшего диаметра: для них также применяется последовательное соединение. Для обеспечения возможности регулярных чисток на всех соединениях устанавливаются разъемы. Внутренние трубы в основном соединяют съемными калачами. За счет маленького поперечного сечения внутри системы достигается высокая скорость перемещения теплоносителя по трубам и между ними.

Если теплообмен требуется для теплоносителя в больших объемах, конструкцию аппарата дополняют несколькими добавочными секциями, для объединения которых предусмотрены общие коллекторы.

О преимуществах и недостатках

Теплообменник труба в трубе прост, этим и обусловлена его колоссальная популярность. Первое, что привлекает инженеров, – высокая скорость транспортировки рабочих жидкостей. Это осуществляется с помощью оптимального подбора сечения труб.

Другой момент – изготовить теплообменник труба в трубе очень просто. Однако его расчёт обусловлен рядом профессиональных подходов. При обслуживании систем важно производить своевременную чистку. Конструкция устройство позволяет это сделать без особых трудозатрат. Радует и оптимальный срок службы, а также универсальность схемы, ведь теплоносителем может быть не только жидкий агент, но и парообразный.

Конечно, в системе есть минусы, и инженеры, производя расчёт, их учитывают. Эксплуатация осложняется тем, что габариты конструкции большие, поэтому требуется правильная организация места, где систему труба в трубе планируется установить. Также не радует и высокая стоимость, а также сложности при расчёте конструкции.

Производство теплообменников

В промышленном производстве теплообменников используются современные технологии и высокоточное оборудование. Сложный технологический процесс производства включает в себя десятки различных операций. Для изготовления используется высококачественная листовая сталь, обладающая устойчивостью к агрессивным средам и воздействию высоких температур. Использование автоматизированных сварочных линий, математическая точность и строгий контроль на всех участках производства обеспечивают высокое качество продукции.
Теплообменники выпускаются в следующих вариантах:

  • с приварными двойниками,
  • агрегаты со съемными двойниками.

По типам теплообменники делят на:

  • разборные агрегаты, малогабаритные тип ТТРМ,
  • однопоточные, неразборного типа ТТОН,
  • однопоточные, разборного типа ТТОР,
  • многопоточные разборного типа ТТМ.

Схема теплообменника труба в трубе

Преимущества теплообменных агрегатов «труба в трубе»

Сравнительно высокая стоимость на единицу поверхности процесса теплообмена компенсируется разнообразием компоновок и возможностью сборки агрегатов из стандартных элементов на месте установки агрегата. Это также дает возможность наращивания или уменьшения числа секций при изменении параметров технологического процесса.

Для обеспечения эффективной очистки внутренней поверхности теплообменников используется возможность выбора необходимых размеров входных и выходных патрубков. Конструкция агрегатов обеспечивает контроль по распределению потоков теплоносителя на каждый канал, это особенно важно в процессе охлаждения вязких жидкостей при работе одного насоса в группе агрегатов.

Вывод

Труба в трубе – как видите, теплообменник очень действенный и может создать благоприятную среду в вашем доме для проживания. Из существующих недостатков лишь один возможно назвать значительным – габариты конструкции, потому, что придется заблаговременно спланировать ниши и место для прокладки системы. Это будет проблематично в уже готовом жилом помещении, поскольку нужно будет перекраивать обжитой интерьер.

В представленном видео в данной статье вы отыщете дополнительную данные по данной теме.

Типы аппаратов ТТ

По типам теплообменники делят на:

ТТОН – однополочные неразборные. Существует исполнение с приварными двойниками. Оно предназначено для работы в среде, не дающей отложений в концентрическом пространстве и внутри теплообменных труб. Следовательно, они совместимы с чистыми теплоносителем и обрабатываемой средой. В устройствах со съемным двойником операция очистки предусмотрена.

ТТОР – однополочные разборные, предназначены для транспортировки и подогрева сильно загрязненных сред. Работают в очистных установках сточных вод с расходом жидкого агента до 60 т/час, паровом подогревателе умеренно загрязненного продукта. Конструкцией предусмотрено температурное удлинение теплообменных труб при температуре до 150°С.

ТТМ – многопоточные разборные применяются для конвективного теплообмена, конденсации или испарения рабочих сред. Незаменимы в условиях работы, отягченных повышенной вязкостью. Используются в установках с высокой пропускной способностью до 300 т/час. С целью интенсификации теплообмена используются трубы с продольными ребрами или ошипованные трубопроводы.

ТТРМ – малопоточные разборные незаменимы в системах с относительно малым расходом агента от 100 до 15000 кг в трубном пространстве. Применяются в лабораторных и пилотных установках (маслоохладителях, мазутоподогревателях). Используются процессы конденсации/испарения в концентрическом пространстве.

Битермический теплообменник

Назначение

Чертеж теплообменника труба в трубе, который можно использовать для отопления

Битермические радиаторы в одном лице, то есть в одной конструкции совмещают теплообменники для отопительного контура и проточного горячего водоснабжения. Как правило, чаще всего основная или наружная труба делается из меди, так как у неё повышены теплопроводные свойства.

Вторая труба, которая вставляется внутрь, зачастую имеет ромбическое сечение и припаивается к основному профилю в нескольких точках для фиксации. Промежуточная полость или расстояние между стенками двух труб предназначено для прокачки и нагрева воды, поступающей на отопительный контур. Полость же ромба предназначена для снабжения ГВС.

Чтобы увеличить КПД теплоотдачи устройства, на поверхности конструкции обычно приваривают или напрессовывают пластины в перпендикулярном положении. Принцип функционирования или инструкция здесь заключается в том, чтобы передавать температуру одной среды для другой. А источником обогрева здесь может быть не только вода — это различные жидкости, пар или газ.

Важную роль в КПД играет металл. Лидерами здесь можно назвать медь и серебро, но так как цена серебра довольно-таки высока, то по вполне понятным причинам используется медь. Для наглядности можно привести следующие цифры: коэффициент теплопроводности стали в 7,5 раз ниже, чем у меди, но в 200 раз выше, нежели у пластика.
В связи с этим можно привести такое сравнение — для однозначного обогрева понадобится либо 11,7м меди, либо 12м стали, либо 2000м пластика.

2 категории теплообменников

Коаксиальный теплообменник — применяется для охлаждения молока

Все теплообменники разделяются на две категории и могут быть:

  1. Охладительные. Этот вариант заполняется холодным газом или жидкостью. При контакте с охладителем тёплая субстанция растрачивает накопленную энергию и остывает.
  2. Нагревательные. Этот вид заполняется нагретым газом или жидкостью. Следовательно, при контакте двух субстанций более тёплая из них делится энергией с более холодной — процесс остаётся точно таким же, как и в первом случае, но результат на выходе противоположный.
Читайте также  Скрипит паркетная доска

Особенности

Эти два указанные выше вида разделяются по конструкционным особенностям:

  1. Поверхностные. Греющий или охлаждающий наполнитель контактирует с окружающей средой через поверхность ёмкости, например, комнатный радиатор.
  2. Регенеративный. Здесь возможно поочерёдная подача холодной и горячей субстанции к специально установленной насадке — она при нагреве и охлаждении регулирует температуру окружающей среды.
  3. Смесительный. Смешивание двух субстанций разной температуры в определённых пропорциях приводит к нужному знаменателю.

Поверхностный вариант — труба в трубе

В большинстве случаев в бытовых условиях (производственных тоже) используются поверхностные конструкции, но они радикально отличаются по конфигурации. Так, среди них можно выделить три основных типа:

  1. Труба в трубе, как на верхнем фото.
  2. Змеевик — делается из тонкой трубки, которая закручивается спиралью.
  3. Пластинчатые — группа пластин комплектуется в кассеты, надетые на трубы, и по их лабиринтам циркулирует жидкость.

Труба в трубе: самостоятельная работа

Тройник с углами 90°

Для изготовления теплообменника труба в трубе нам понадобятся такие материалы и инструменты:

  • медные трубки с разным диаметром — 2 штуки;
  • тройник с углами 90° по диаметру большей трубки — 2 штуки;
  • трубки с диаметром тройника, короткие — 2 штуки;
  • электро- или газосварка (можно мощный паяльник с припоем для меди);
  • болгарка с обрезным диском;
  • метрическая рулетка.

Вариант 1

Профиль разного диаметра

Лучше всего использовать медь, хотя за неимением материала можете взять нержавеющую сталь. Однако в таком случае вы получите более низкий КПД. Диаметр внутреннего профиля должен быть как минимум на 4 мм меньше наружного, чтобы между стенками было хотя бы по 2 мм.

Принципиальный чертёж — теплообменник типа труба в трубе

  1. На трубку большего диаметра с обеих сторон навариваем боковой стороной по тройнику, и вставляет туда профиль меньшего диаметра.
  2. Затем вставляем туда же профиль меньшего диаметра, как это показано на верхнем чертеже, и провариваем торцы тройников.
  3. Теперь лишь остаётся к свободным концам тройников приварить короткие трубки для подачи и выхода жидкости, и можно запускать изделие в эксплуатацию.

Вариант 2

На фото — водяной теплообменник для печи

В данном случае используются две горизонтальные стальные трубы, расположенные параллельно друг к другу:

  • между ними навариваются от 6 до 9 колон, то есть получается колончатый радиатор;
  • входное отверстие (на подачу) здесь делается вверху, а сливное (обратка) — снизу, причём здесь обязательно нужно нарезать резьбу или наварить сгоны для подсоединения к отопительному контуру;
  • чтобы установить такую конструкцию в полости топки, вам нужно либо разбирать печь, либо произвести это на стадии закладки фундамента, то есть – сразу;
  • по мере возведения рядов кладки используются кронштейны для крепления теплообменника, а его выходное отверстие должно быть на несколько миллиметров выше контура подачи;
  • от входных отверстий за пределы печи выводятся патрубки, на конце которых нарезается резьба или привариваются сгоны для подключения общего контура.

Мощность можно регулировать

Расчет теплообменника труба в трубе зависит от площади обогреваемого помещения, но сделать это в домашних условиях для самодельной конструкции достаточно сложно, поэтому вы можете воспользоваться терморегулятором. Это небольшое и недорогое устройство устанавливается перед трубой подачи и может быть даже без внешнего питания.

Как выбрать теплообменники типа «труба в трубе»

Малопоточные теплообменники ТТРМ предназначены для малых расходов рабочих сред. Они используются для пилотных и лабораторных установок, а также для подогревателей мазута и охладителей масла в промышленности.

ТТРМ 1 (однопоточные теплообменники) предназначены для процессов конвективного обмена, и среда в них совершает 4 хода по кольцевому и трубному пространству.

ТТРМ 2 (двухпоточные теплообменники) могут применяться в процессах, связанных с процессами конденсации и испарения в трубном и кольцевом пространстве.

Если в трубах происходит конвективный теплообмен, а с внешней стороны конденсация и испарение, то применяются однопоточные в трубном пространстве и двухпоточные в кольцевом.

Теплообменные аппараты разновидности ТТМ

Многопоточные аппараты типа «труба в трубе» , в отличие от однопоточных теплообменников, предназначены для больших расходов рабочих сред. Среди разновидностей – ТТМ5, ТТМ12, ТТМ7, ТМ31, ТТМ22.

Теплообменники многопоточного типа применяются конвективного теплообмена «газ-газ», «жидкость-жидкость», «жидкость-газ», и в процессах рабочей среды, связанной с испарением и конденсацией.

Конструкция многопоточного разборного теплообменника позволяет удлинять теплообменную трубу. Что касается возможности удлинения кожуховых труб, то она ограничена, вследствие этого температура среды, в кольцевом пространстве аппарата, должна быть менее 150 градусов.

Разборные теплообменники по своим конструктивным особенностям позволяют менять теплообменные трубы и очищать наружную поверхность от загрязнений.

Если следует постоянно очищать внутреннюю поверхность механическим способом, то следует выбирать разновидности аппаратов со двойниками съемного образца на теплообменных трубах (ТТМ5, ТТМ7).

Теплообменные аппараты типа ТТОР

В случае, когда рабочая среда не разделяется на параллельные потоки, и склонна к отложениям, особенно в случае существования взвесей и загрязнений, принято использовать разборные теплообменники разборного типа ТТОР (труба в трубе).

Чаще всего подобные аппараты используются в очистных сооружениях, созданных для улучшения экологической ситуации, в частности при обработке сточных вод (осадков), а также в агрегатах, сжигающих нефтешлам и в других, подобных отраслях промышленности, где происходит расход жидкости в кольцевом и трубном пространствах до 60тонн в час.

Данные агрегаты предусматривают возможность очистки теплообменных труб механическим способом, а также их выемку в случае необходимости замены. Та среда, что является более загрязненной проходит внутри теплообменных труб за четыре хода по пространству, а менее загрязненное по внешнему пространству труб, также совершая четыре хода, но уже по кольцевому пространству.

Для данной конструкции труб возможно свободное температурное удлинение теплообменных труб. Что касаемо кожуховых труб, то их удлинение конструкцией четырех однопоточных ходовых ограничено, поэтому для температуры среды перепад на входе и выходе не должен быть свыше 150 градусов.

Теплообменные аппараты ТТОН

Если в среде кольцевого пространства не существует отложений и, следовательно, наружная поверхность труб не нуждается в механической чистке, используются однопоточные теплообменники неразборного типа. Если же внутренняя поверхность теплообменных труб не требует очистки, то используются агрегаты с приварными двойниками , в противном случае используются аппараты со съемными двойниками .

Вне зависимости от типа аппарата возможна компоновка в секции с разным количеством элементов и монтажом на раме.

  • Элементы теплообменника однопоточного неразборного ТТОН (труба в трубе) в блок.
  • Элементы теплообменника разборного малогабаритного ТТРМ (труба в трубе) в блок.
  • Элементы теплообменника однопоточного разборного ТТОР (труба в трубе) в блок.
  • Элементы многопоточного теплообменника ТТМ (труба в трубе) в блок.

Таблица: Основные параметры теплообменных аппаратов «труба в трубе».

Вывод

Труба в трубе – как видите, теплообменник весьма эффективный и способен создать благоприятную среду в вашем доме для проживания. Из существующих недостатков только один можно назвать существенным – габариты конструкции, поскольку придется заранее спланировать ниши и место для прокладки системы. Это будет проблематично в уже готовом жилом помещении, так как придется перекраивать обжитой интерьер.

Читайте также  Чем отмыть обои на кухне

В представленном видео в этой статье вы найдете дополнительную информацию по данной теме.