1. Что такое «ход» в кожухотрубном теплообменнике
Ход в трубном пространстве — один сквозной проход теплоносителя через всю длину трубного пучка от одной трубной решётки до другой. При одном ходе жидкость входит с одного торца и выходит с противоположного. При двух ходах — встречает поперечную перегородку в распределительной камере, поворачивает и проходит пучок в обратном направлении, выходя с того же торца, что и вошла. При N ходах теплоноситель проходит через пучок N раз.
Конструктивно ходы в трубном пространстве создаются с помощью продольных перегородок в распределительных камерах. Для двух ходов — одна перегородка делит камеру на два отсека. Для четырёх ходов — три перегородки, и так далее. Число трубок в каждом ходе равно N / n_ходов, где N — общее число труб в пучке.
Именно поэтому при N ходах скорость теплоносителя в трубках возрастает в N раз при том же объёмном расходе: расход делится на меньшее число одновременно работающих каналов. Это фундаментальное свойство многоходовых схем. Подробнее об устройстве кожухотрубного теплообменника — в отдельной статье.
На практике применяют чётные числа ходов: 1, 2, 4, 6. При чётном числе входной и выходной патрубки трубного пространства располагаются на одном торце аппарата — это значительно упрощает обвязку трубопроводами. Нечётное число ходов (3, 5) встречается редко и только при специальных конструктивных решениях, когда принципиально важна одна конкретная длина пути.
2. Один ход: когда достаточно
Одноходовой кожухотрубный теплообменник — самая простая и надёжная конструкция. Теплоноситель проходит пучок один раз, входит с одного торца, выходит с другого. Один ход выбирают, когда:
- Большой расход жидкости. При расходе воды свыше 15–20 м³/ч через пучок из 100 трубок диаметром 25 мм скорость в трубках при одном ходе уже составляет 1,0–1,5 м/с — достаточно для турбулентного течения (Re > 20 000) и хорошего теплообмена.
- Пар по трубкам. Пар имеет низкую плотность и даже при одном ходе достигает необходимых скоростей (0,5–3 м/с). Многоходовая схема для пара нецелесообразна.
- Ограничение по перепаду давления. Насос или компрессор не могут обеспечить высокое давление — один ход даёт минимальное гидравлическое сопротивление.
- Высоковязкие жидкости. При вязкости > 50 сП скорость потока ограничена самой вязкостью, а Re остаётся низким независимо от числа ходов. Лучше рассмотреть специальный подбор аппарата.
3. Несколько ходов: зачем увеличивать
Скорость в трубном пространстве при N ходах: v = G / (n_tubes_per_pass × A_tube), где n_tubes_per_pass = N_total / n_passes, A_tube = π × d² / 4. При увеличении числа ходов с 1 до 2 скорость удваивается, Re удваивается, коэффициент теплоотдачи α растёт ≈ на 75% (пропорционально Re^0.8).
Главная причина увеличения числа ходов — недостаточная скорость при малом расходе. Если конструкция требует большую площадь теплообмена (много трубок), а расход невелик, скорость в одноходовом аппарате падает ниже 0,3 м/с. В этом режиме:
- Число Рейнольдса Re < 3 000–5 000 — течение ламинарное или переходное.
- Коэффициент теплоотдачи в трубках снижается в 3–5 раз по сравнению с турбулентным режимом.
- На стенках труб быстро накапливаются отложения (загрязнения), ещё ухудшающие теплообмен.
- Неравномерное распределение потока по трубкам усугубляет ситуацию.
Увеличив число ходов с 1 до 2 при том же расходе, скорость удваивается, Re удваивается. Если при 1 ходе Re = 4 000 (переходный режим), то при 2 ходах Re = 8 000 — устойчивый турбулентный. Коэффициент теплопередачи K растёт с ~600 до ~900 Вт/(м²·°С) для воды. Аппарат работает гораздо эффективнее.
Второе применение многоходовых схем — обеспечение противотока. При двух ходах трубный теплоноситель движется сначала в одном направлении, потом в другом. Среднеарифметически это близко к противоточной схеме, что увеличивает среднелогарифмический температурный напор (LMTD) и позволяет нагреть/охладить среду сильнее при той же площади.
Полный обзор конструктивных особенностей — в статье «Кожухотрубные теплообменники: ГОСТ и стандарты». Также см. 15 ошибок при выборе типа КТО — там разобрана типичная ошибка с занижением числа ходов.
4. Влияние числа ходов на теплопередачу и гидравлику
Рассмотрим механику взаимодействия числа ходов с тепловыми и гидравлическими параметрами. Обозначим число ходов как n, базовый случай (1 ход) — индекс «1».
Скорость и число Рейнольдса
При увеличении числа ходов с 1 до n, скорость в трубках возрастает в n раз: v_n = n × v_1. Соответственно, Re_n = n × Re_1 (при той же вязкости и диаметре трубок).
Коэффициент теплоотдачи и теплопередачи
В турбулентном режиме (Re > 10 000) коэффициент теплоотдачи со стороны трубного теплоносителя: Nu ~ Re^0.8. Следовательно, α_n ≈ n^0.8 × α_1. При удвоении ходов (n=2): α возрастает в 2^0.8 ≈ 1,74 раза. Коэффициент теплопередачи K зависит от обоих α (трубного и межтрубного), поэтому реальный прирост K будет ниже — примерно 40–60% при переходе от 1 к 2 ходам для вода-вода.
Важно: если межтрубный коэффициент теплоотдачи мал (например, газ в межтрубном пространстве), рост числа ходов по трубному пространству мало влияет на K — узким местом будет межтрубная сторона.
Гидравлическое сопротивление
Потери давления в трубках пропорциональны v² × L_effective. При n ходах скорость растёт в n раз, эффективная длина также возрастает в n раз (n проходов по длине аппарата). Итого: Δp_n = n² × Δp_1. При 2 ходах — в 4 раза больше, при 4 ходах — в 16 раз, при 6 ходах — в 36 раз. Это главное ограничение многоходовых схем.
Дополнительно учитываются местные сопротивления в поворотных камерах: при каждом повороте теряется около 1–2 скоростных напора. При большом числе ходов эти потери становятся сопоставимы с трубными.
5. Таблица: число ходов — скорость — Re — K — Δp
Сравнительная таблица для воды в трубках (d=25×2 мм, G=const, базовые значения при 1 ходе: v=0,25 м/с, Re=5 000, K=600 Вт/(м²·°С), Δp=10 кПа):
| Число ходов | Скорость (×) | Re (×) | K, Вт/(м²·°С) ≈ | Δp (×) | Режим течения | Когда применять |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1,0× | 1,0× (5 000) | ≈600 | 1,0× | Переходный / ламинар | Большие расходы (>15 м³/ч), пар по трубкам |
| 2 | 2,0× | 2,0× (10 000) | ≈900 | 4,0× | Развитый турбулентный | Средние расходы (5–15 м³/ч) |
| 4 | 4,0× | 4,0× (20 000) | ≈1 200 | 16× | Развитый турбулентный | Малые расходы (2–5 м³/ч) |
| 6 | 6,0× | 6,0× (30 000) | ≈1 400 | 36× | Высокотурбулентный | Очень малые расходы (<2 м³/ч), допустимо высокое Δp |
Данные приведены для воды при T≈60°С (ν≈0,47 мм²/с). Фактические значения K зависят от межтрубного теплоносителя, загрязнений и конструкции. Для профессионального расчёта используйте услугу тепловых расчётов S22.
6. Ограничения при многоходовых схемах
Увеличение числа ходов — не бесплатный улучшатель. Существуют принципиальные ограничения, которые нужно учитывать при проектировании:
- Рост гидравлического сопротивления. При 4 ходах Δp в 16 раз выше одноходового. Насос должен обеспечить это давление. Если давление насоса ограничено — максимально допустимое число ходов определяется из условия Δp ≤ Δp_допустимое.
- Неравномерность потока при нечётных проходах. Чётное число ходов конструктивно проще. Нечётное число ходов технически реализуемо, но приводит к несимметричному расположению патрубков.
- Усложнение конструкции. Каждое дополнительное число ходов требует дополнительных продольных перегородок в камерах, уплотнений, большей трудоёмкости при изготовлении. Стоимость аппарата растёт.
- Термическое расширение. При противоточных многоходовых схемах возникают дополнительные термические напряжения в трубных решётках. При ΔT > 50°С необходимо применять аппараты типа ккг/ккв с компенсатором.
- Риск кавитации. При очень высоких скоростях (более 3 м/с для воды) возможна кавитационная эрозия трубок в зонах поворота потока.
- Замороженные зоны при неполной загрузке. При частичной нагрузке в многоходовых аппаратах скорость падает ещё сильнее — некоторые ходы могут работать в ламинарном режиме.
7. Ходы в межтрубном пространстве: перегородки
Поперечная перегородка в межтрубном пространстве — перфорированная пластина (через неё проходят трубки), разрезанная так, что в ней есть вырез (окно) для прохода межтрубного теплоносителя. Перегородки Э-типа (сегментные) имеют вырез 25–45% от диаметра корпуса. Располагая перегородки поочерёдно вверху и внизу, создают зигзагообразный поперечный ток межтрубного теплоносителя через пучок трубок.
«Ходы в межтрубном пространстве» — это неформальный термин для обозначения секций между перегородками. Чем больше перегородок — тем больше «ходов» межтрубного потока и выше его скорость омывания трубок. Основные типы перегородок:
- Сегментные (Э-тип): стандартные, вырез 25% диаметра. Наиболее распространены по ГОСТ 15120. Создают поперечный ток — хорошую теплоотдачу, умеренное Δp.
- Двухсегментные: два окна, симметричные — снижают Δp в межтрубном пространстве при сохранении турбулентности.
- Дисковые и кольцевые (тип ДК): поочерёдно диск и кольцо — более равномерное омывание пучка.
- Спиральные перегородки: непрерывная спиральная лента — квазипродольный ток, низкое Δp, хорошая теплоотдача, меньше вибрации труб.
Важно понимать: ходы по трубному и межтрубному пространству — независимые параметры. Аппарат может быть 2-ходовым по трубному и иметь 6 поперечных перегородок в межтрубном, либо 1-ходовым по трубному и 8 перегородками в межтрубном. Число ходов трубного пространства указывается отдельно от числа перегородок. Подробнее об обозначениях: «КНГ, КВГ, ккг — что значат буквы».
Шаг перегородок (расстояние между ними) обычно составляет 0,2–1,0 диаметра корпуса. При малом шаге — высокая скорость межтрубного потока и хороший теплообмен, но большое Δp. Аппараты с широким набором перегородок описаны в каталоге Alfa Laval КТО и других производителей.
8. Decision table: расход и скорость — рекомендуемое число ходов
Практическое руководство для воды в трубках (трубки d=25×2 мм, N=100 штук, L=3 м). Скорость рассчитана как v = G / (N_passes_section × π × d²/4 × 3600):
| Расход воды, м³/ч | v при 1 ходе, м/с | Re при 1 ходе | Рекомендуемое число ходов | Комментарий |
|---|---|---|---|---|
| > 15 м³/ч | > 1,0 м/с | > 20 000 | 1 ход | Турбулентный режим уже при 1 ходе |
| 8–15 м³/ч | 0,5–1,0 м/с | 10 000–20 000 | 1–2 хода | Приемлемо с 1 ходом, 2 хода улучшат K |
| 3–8 м³/ч | 0,2–0,5 м/с | 4 000–10 000 | 2 хода | 2 хода выводят Re в турбулентный диапазон |
| 1,5–3 м³/ч | 0,1–0,2 м/с | 2 000–4 000 | 4 хода | 4 хода дают Re ~ 8 000–16 000, переходный→турбул. |
| < 1,5 м³/ч | < 0,1 м/с | < 2 000 | 4–6 ходов или ПТО | При 6 ходах Re ~ 12 000+. Рассмотреть ПТО |
| Вязкие среды (μ > 10 мПа·с) | — | Низкий | 2+ ходов | Re пропорционален 1/μ — нужна повышенная скорость |
| Пар по трубкам | — | — | 1 ход | Пар и так высокоскоростной; многоходовость нецелесообразна |
| Малый расход + очень высокие требования к K | < 0,2 м/с | < 4 000 | ПТО вместо КТО | ПТО эффективнее при малых расходах, компактнее |
Ориентиры для других диаметров трубок: при d=20 мм скорость при том же расходе и числе трубок выше (меньше сечение), при d=38 мм — ниже. Нормы оптимальных скоростей: 0,3–1,5 м/с для воды, 0,5–3 м/с для пара, 0,5–2 м/с для масла. Ниже минимума — ламинар и отложения, выше максимума — эрозия и высокое Δp.
9. Расчётный пример: выбор числа ходов для 500 кВт теплообменника
Нагреватель воды сетевым теплоносителем, Q = 500 кВт
Условия: Горячая сторона (межтрубное): вода 120→80°С, расход G₁ = 10,75 м³/ч. Холодная сторона (трубки): вода 60→80°С, расход G₂ = 21,5 м³/ч. Конструкция: трубки d=25×2 мм, N=120 штук.
Шаг 1 — Скорость при 1 ходе (холодная сторона, трубки):
Сечение 1 трубки: A = π × 0,021² / 4 = 3,46 × 10⁻⁴ м²
Суммарное сечение (120 трубок): A_total = 120 × 3,46 × 10⁻⁴ = 0,04153 м²
Скорость: v₁ = 21,5 / (3600 × 0,04153) = 0,144 м/с — слишком мало!
Re₁ = 0,144 × 0,021 / (0,47 × 10⁻⁶) ≈ 6 430 — переходный режим.
Шаг 2 — Пробуем 2 хода:
v₂ = 2 × 0,144 = 0,288 м/с — ещё на границе допустимого.
Re₂ = 2 × 6 430 = 12 860 — уже турбулентный, K ≈ 850–950 Вт/(м²·°С).
Δp₂ = 4 × Δp₁ — умеренно, приемлемо.
Шаг 3 — Проверяем 4 хода (для надёжности):
v₄ = 4 × 0,144 = 0,576 м/с — хорошо.
Re₄ = 4 × 6 430 = 25 720 — развитый турбулентный, K ≈ 1 100–1 200 Вт/(м²·°С).
Δp₄ = 16 × Δp₁ — значительно, нужно проверить насос.
Вывод: Рекомендуется 2 хода по трубному пространству. Это даёт Re = 12 860 (турбулентный), K ≈ 900 Вт/(м²·°С), умеренное Δp. Площадь теплообмена: F = Q / (K × LMTD) = 500 000 / (900 × 26,5) ≈ 21 м² — соответствует 4-метровым трубкам при 120 штуках. При ограниченном давлении насоса (до 0,5 бар на трубную сторону) — 2 хода оптимальны. При повышенных требованиях к компактности и свободном давлении — 4 хода дадут аппарат на 20–25% меньше.
Обратите внимание: в примере расход горячего теплоносителя G₁ = 10,75 м³/ч по межтрубному пространству. Скорость межтрубного потока регулируется числом и шагом поперечных перегородок. Это отдельный расчёт, независимый от числа ходов по трубному пространству. Для заказа расчётного подбора обращайтесь в инженерный отдел S22.
Аналогичный подход используется для новых модификаций водо-водяных КТО — там число ходов также является ключевым параметром оптимизации.
10. Как указать число ходов при заказе КТО
При заказе кожухотрубного теплообменника число ходов указывается следующим образом:
- В опросном листе (техническом задании): явно указать «число ходов по трубному пространству: 2» (или другое значение). Это стандартный пункт в опросных листах на КТО.
- В обозначении по ГОСТ 15120: число ходов входит в обозначение или уточняется дополнительной буквой/цифрой. Например, аппараты серии КНГ выпускаются в 1-, 2- и 4-ходовом исполнении. Подробнее: ГОСТ 15122-79 типовые обозначения.
- Если расчёт ещё не сделан: укажите расход теплоносителя, диаметр трубок (или стандарт серии), допустимое Δp — инженер S22 подберёт оптимальное число ходов самостоятельно.
- Для нестандартных аппаратов: возможно любое чётное число ходов (2, 4, 6, 8 и более) при согласовании с производителем.
- Указать расход по трубному пространству (м³/ч или кг/ч)
- Указать диаметр и число трубок (или стандартную серию)
- Указать допустимое гидравлическое сопротивление (кПа или бар)
- Указать требуемое число ходов (если известно) или допустить выбор инженером
- Уточнить конструктив камеры (разборная/неразборная) — влияет на возможность реализации ходов
Для стандартизованных теплообменников обратитесь в каталог кожухотрубных ТО S22 — там указаны доступные исполнения по числу ходов для каждой модели. Альтернативно, воспользуйтесь бесплатным подбором — инженер сформирует оптимальный опросный лист с учётом числа ходов.
Детальное сравнение типов аппаратов и их конструктивных особенностей — в статье «LLM-карта сущностей и типов КТО». Если задача нетипичная (высокая вязкость, фазовые переходы, агрессивные среды) — рассмотрите выбор ориентации и специальную конструкцию совместно с числом ходов.