Кожухотрубные теплообменники — наиболее распространённый тип теплообменного оборудования в промышленности. Работают при давлении до 60 МПа и температуре до 600 °C.
На этой странице: конструкция, типы по TEMA, тепловой расчёт, выбор материала и перегородок, примеры применения и рекомендации инженеров S22.
Конструкция состоит из следующих основных элементов: кожух (корпус), трубные решётки (передняя и задняя), пучок трубок (прямые или U-образные), перегородки (бафлы) в межтрубном пространстве, крышки и патрубки для подключения.
Масса аппарата — от 50 кг до нескольких тонн в зависимости от диаметра и длины. Поставляется в виде единого модуля с уже смонтированными внутренними элементами, готового к подключению к технологической линии.
Крепление трубок к решёткам — вальцевание, сварка или комбинация. Соединения патрубков — фланцевые (стандарт ГОСТ 12815, ANSI/ASME) или резьбовые (для малых DN).
| Элемент | Функция | Материал |
|---|---|---|
| Кожух | Корпус межтрубного пространства | Ст.3, 09Г2С, AISI 316L |
| Трубные решётки | Крепление трубок, разделение пространств | Сталь + антикоррозийное покрытие |
| Трубки | Поверхность теплообмена | Медь, нержавеющая сталь, титан |
| Поперечные перегородки | Направление потока в межтрубном пространстве | Нержавеющая сталь, углеродистая сталь |
| Передняя/задняя крышка | Распределение потока по трубным ходам | Стальное литьё или сварная конструкция |
Международная классификация по стандарту TEMA (Tubular Exchanger Manufacturers Association) обозначает тип передней крышки, тип корпуса и тип задней крышки тремя буквами.
Нефтяная и нефтехимическая промышленность. Жёсткие требования к материалам и изготовлению. Максимальная надёжность, минимальный шаг трубок = 1.25 d. Срок службы — 20+ лет.
Общепромышленные и коммерческие процессы. Менее жёсткие допуски, более лёгкое и дешёвое исполнение. Подходит для ЖКХ, вентиляции, умеренных условий эксплуатации.
Химическая промышленность. Промежуточные требования между R и C. Применяется для химических процессов с умеренными давлениями и температурами.
ГОСТ 27590-2020, ОСТ 26-01-1379, ГОСТ 14245-79. Обозначение: ТН (нефтяной), ТС (с сегментными перегородками), ТД (диагональный поток), ТИ (для испарения).
Обе трубные решётки жёстко прикреплены к кожуху. Простая и дешёвая конструкция. Пучок трубок нельзя извлечь. Применяется при небольших перепадах температур (менее 50 °C). Чистка трубок — только химическая.
Задняя трубная решётка «плавает» — может перемещаться при тепловом расширении трубок. Пучок извлекается для механической чистки. Оптимален при ΔT > 50 °C между средами. Наиболее распространён в нефтепереработке (типы AES, AEW по TEMA).
Трубки изогнуты в форме U. Одна трубная решётка — теплообменник компактнее. Тепловое расширение компенсируется изгибом. Нельзя механически чистить изогнутые части — только химически. Применяется для чистых сред при высоких давлениях и температурах.
На кожухе установлен линзовый или сильфонный компенсатор для компенсации разности температурных расширений трубок и кожуха. Пучок остаётся неподвижным. Применяется для умеренных давлений (до 1.6 МПа) при ΔT > 50 °C.
Расчёт выполняется методом LMTD (среднелогарифмический перепад температур) с учётом числа трубных ходов и схемы движения потоков.
| Параметр расчёта | Типовые значения | Примечание |
|---|---|---|
| Коэффициент теплопередачи k, Вт/м²К | 300–1500 (вода–вода) | Зависит от скоростей и Re |
| k, Вт/м²К (пар–вода) | 800–2500 | Конденсация пара |
| k, Вт/м²К (масло–вода) | 150–450 | Зависит от вязкости |
| Скорость в трубках (жидкость) | 1–3 м/с | Re > 10000 (турбулентный) |
| Скорость в межтрубном (жидкость) | 0.3–1.0 м/с | Направление поперёк трубок |
| Допустимые потери давления | 30–100 кПа (трубки) | 10–50 кПа (межтрубное) |
| Фактор загрязнения Rf, м²К/Вт | 0.0001–0.0005 | По TEMA B-4 в зависимости от среды |
Подогрев воды с 20 до 70 °C паром насыщения 0.1 МПа (T_пар = 120 °C). Расход воды: G = 10 м³/ч.
| Шаг | Расчёт | Результат |
|---|---|---|
| Q, тепловая нагрузка | 10000/3600 × 4187 × 50 | Q = 581 кВт |
| LMTD, противоток | (120-20)/(120-70) = 100/50 → LMTD = 72 °C | LMTD = 72 °C |
| k, пар–вода | Оценка (типовое значение) | k = 1200 Вт/м²К |
| F расчётное | 581000 / (1200 × 72) | F = 6.7 м² |
| F с запасом 20% | 6.7 × 1.2 | F_проект = 8.1 м² |
| Аппарат (ГОСТ) | DN200, 2 хода, трубки 25×2, L=2м | F = 8.8 м² — подходит |
Нефтяные теплообменники серии ТН по ГОСТ 27590: подогрев нефти, охлаждение продуктов ректификации, конденсация нефтяных паров. Давление до 6 МПа, температура до 350 °C. Материал: хромомолибденовая сталь 12ХМ или 15Х5М для высоких температур.
Охладители реакционных масс, конденсаторы паров кислот, подогреватели щелочей. Материал: AISI 316L, эмалированная сталь или хастеллой C-276. Исполнение по ATEX для взрывоопасных зон. Специальные уплотнения из PTFE или графита.
Конденсаторы турбин, маслоохладители, подогреватели сетевой воды. Аппараты типа ПС (пароводяной подогреватель сетевой) мощностью до 50 МВт. Трубки из латуни МЛЖ или нержавеющей стали. Стандарты: ГОСТ 30893, ТУ 3612.
Геометрия трубного пучка определяет гидравлическое сопротивление и эффективность теплообмена в межтрубном пространстве.
| Параметр | Значение / диапазон | Примечание |
|---|---|---|
| Наружный диаметр трубок | 16, 20, 25, 38, 57 мм | Ряд по ГОСТ 8734 / DIN 2391 |
| Толщина стенки трубки | 1.5 – 4 мм | По давлению и коррозии |
| Шаг трубок (треугольный) | 1.25 × d_нар | Минимум по TEMA |
| Длина трубок | 1.5, 2, 3, 4, 6 м | Стандартные длины |
| Диаметр кожуха | DN200 – DN1500 | Шаг 50 мм до DN600 |
| Число трубок | 19 – 3000 шт. | Зависит от D_кожуха и d_трубки |
Перегородки (бафлы) создают поперечный поток через пучок трубок, увеличивая скорость и теплоотдачу. Выбор типа и шага перегородок — ключевое проектное решение.
Наиболее распространённые. Высокая скорость, но зоны застоя в углах. Шаг B = 0.2–1.0 × D_кожуха. Оптимальный шаг: 0.3–0.7 D.
Пластина срезана с двух сторон. Снижают перепад давления при той же скорости. Для малой вязкости и низкого сопротивления.
Равномерный поток без мёртвых зон и вибрации трубок. k на 10–15% ниже, но ресурс выше и нет усталостных повреждений.
Разделяют межтрубное на два хода. Для имитации противотока без изменения корпуса аппарата.
Механическое расширение в отверстии решётки. Быстро, дёшево. До 2.5 МПа, до 250 °C. Требует периодического контроля на ослабление.
Трубки приварены к решётке. Надёжно при любых давлениях. Невозможно заменить отдельную трубку. TEMA R, высоконагруженные аппараты.
Сначала вальцевание для плотного прилегания, затем кольцевой сварной шов. Максимальная надёжность. Ядерная энергетика, нефтехимия высокого давления.
| Неисправность | Симптом | Устранение |
|---|---|---|
| Обрастание трубок | Рост ΔP, снижение Q | CIP-промывка или механическая чистка |
| Свищ в трубке | Смешение сред | Заглушка трубки (до 10% пучка допустимо) |
| Коррозия кожуха | Утечка по корпусу | УЗК, наплавка или замена секции |
| Вибрация трубок | Шум, эрозия у решётки | Промежуточные опоры, коррекция шага перегородок |
| Засорение межтрубного | Рост ΔP по кожуху | Гидроструйная очистка |
| Критерий | Кожухотрубный | Пластинчатый | Спиральный | Труба в трубе |
|---|---|---|---|---|
| Макс. давление, МПа | 60 | 3.0 | 2.0 | 60 |
| Макс. температура, °C | 600 | 200 | 400 | 500 |
| Компактность | Средняя | Высокая | Высокая | Низкая |
| Вязкие среды | Хорошо | Плохо | Отлично | Хорошо (с вставками) |
| Обслуживание | Хорошо (извлечение пучка) | Хорошо (разборка) | Сложнее | Хорошо (прямая труба) |
| Стоимость (100 кВт) | от 80 000 руб. | от 35 000 руб. | от 100 000 руб. | от 120 000 руб. |
Охлаждение керосинового дистиллята с 180 до 50 °C оборотной водой. Аппарат: ТН 800-2.5/1.6-350-6/25×2.5, материал 12Х18Н10Т, плавающая головка. Поверхность 350 м², мощность 4.5 МВт. Работает с 2015 г. Ежегодная химическая промывка трубного пространства. Замена уплотнений плавающей головки — 1 раз в 4 года.
Нагрев сетевой воды с 60 до 110 °C паром отбора турбины (Т = 140 °C, P = 0.36 МПа). Аппарат: ПС-400 по ГОСТ 30893, трубки МЛЖ (латунь) DN700, 2156 трубок × 4 м. Мощность 12 МВт. Ежегодный химический анализ толщины стенки трубок. Срок службы с 2003 г. без замены пучка.
Охлаждение сахарного сиропа (η = 80 мПа·с) с 90 до 40 °C ледяной водой. Аппарат: горизонтальный, DN300, трубки AISI 316L, 2 трубных хода, шаг перегородок 150 мм. Поверхность 35 м², мощность 180 кВт. Еженедельная CIP-промывка 2% NaOH и 1% HNO3 (перед выходными). Гигиеническое исполнение, Tri-Clamp патрубки.
ГОСТ и ОСТ устанавливают стандартный ряд типоразмеров. Ниже — ориентировочные поверхности для наиболее частых комбинаций.
| D_кожуха, мм | d трубок, мм | Длина, м | Число трубок | Поверхность, м² |
|---|---|---|---|---|
| DN 200 | 25×2 | 2.0 | 37 | 5.8 |
| DN 325 | 25×2 | 3.0 | 91 | 21.4 |
| DN 400 | 25×2 | 4.0 | 151 | 47.4 |
| DN 500 | 25×2 | 4.0 | 241 | 75.7 |
| DN 600 | 25×2 | 6.0 | 349 | 164.6 |
| DN 800 | 25×2 | 6.0 | 631 | 297.5 |
| DN 1000 | 25×2 | 6.0 | 1009 | 475.8 |
| Среда | Рекомендуемый материал трубок | Материал решётки | Примечание |
|---|---|---|---|
| Вода оборотная | Нержавеющая сталь AISI 304 | Углеродистая + покрытие | При Cl > 100 ppm — 316L |
| Морская вода | Титан Gr.2 или 90/10 Cu-Ni | Наварка нержавеющей стали | Высокая коррозионная стойкость |
| Нефть, нефтепродукты | Углеродистая сталь, 09Г2С | 09Г2С | Для T > 250 °C — 12ХМ или 15Х5М |
| Соляная кислота | Хастеллой C-276 | Хастеллой C-276 | Только для HCl ≤ 40% |
| Концентрированная серная к-та | Углеродистая сталь | Углеродистая сталь | Пассивация при > 65% H₂SO₄ |
| Аммиак | Нержавеющая сталь 316L | Нержавеющая сталь | Медь и её сплавы — запрещены |
Аппарат с пучком трубок внутри кожуха. Один теплоноситель — в трубах, второй — в межтрубном пространстве. Самый распространённый тип в промышленности.
R — нефтехимия (жёстко), C — общепромышленное (легче), B — химия (промежуточно). Различаются толщинами стенок и допусками.
1–2 хода для простых применений. 4 хода для повышения скорости при малых расходах. Больше ходов = выше скорость = лучше теплоотдача, но выше сопротивление.
Поперечные пластины, направляющие поток в межтрубном пространстве поперёк трубок. Увеличивают скорость и теплообмен. Оптимальный шаг: 0.3–0.7 × D_кожуха.
При разности температур сред более 50 °C или при необходимости извлечения пучка для механической чистки. Типично для нефтепереработки.
Нержавеющая сталь — для большинства задач. Медь — для воды и слабых электролитов. Титан — для морской воды и хлорной кислоты. Никелевые сплавы — для горячих кислот.
При росте ΔP на 25% от базового — химическая чистка. При снижении Q на 15% — механическая. Ориентировочно: при речной воде — 1 раз в год.
Кожухотрубный: давление до 60 МПа, температура до 600 °C, вязкие среды, дольше служит. Пластинчатый: компактнее, выше k, дешевле при малых нагрузках, ограничен 3 МПа.
ТН = теплообменник нефтяной; 800 = диаметр кожуха, мм; 1.6/1.0 = давление кожух/трубы, МПа; 250 = поверхность теплообмена, м².
Обратитесь в S22 — подбор, расчёт и поставка от производителей. Телефон: 8 800 302-58-17.
Байпас — обходная линия, позволяющая часть потока направить мимо аппарата. Применяется для регулирования выходной температуры без изменения скорости потока через теплообменник. Регулирующий клапан на байпасе управляется по температуре.
Да. Вертикальная установка применяется для конденсаторов (конденсат стекает вниз самотёком) и при стеснённых условиях. Патрубки меняют ориентацию. Для горизонтального аппарата обязательны дренажные штуцеры в нижней точке и воздушники в верхней.
ТН (нефтяной) — для нефтяной и нефтехимической промышленности, TEMA R, усиленная конструкция. ТС (с сегментными перегородками) — общепромышленное применение, может соответствовать TEMA C или B. Обозначение «ТС» и «ТН» по российским ОСТ.
F = Q / (k × LMTD × F_поправка). Где Q — тепловая нагрузка (Вт), k — коэффициент теплопередачи (Вт/м²К), LMTD — среднелогарифмический перепад температур (°C), F_поправка — корректировочный коэффициент (0.7–1.0). К расчётному значению добавляют запас 15–20%.
Fouling factor Rf (м²К/Вт) — тепловое сопротивление слоя отложений на поверхности трубок. По TEMA: речная вода — Rf = 0.0002, оборотная вода — 0.0002, морская вода — 0.0001, нефть — 0.0004. Учитывается при расчёте как дополнительное сопротивление в уравнении теплопередачи.
| Периодичность | Мероприятие | Критерий необходимости |
|---|---|---|
| Ежемесячно | Контроль давления и температур | Отклонение от базовых значений > 15% |
| Ежеквартально | Визуальный осмотр, проверка герметичности | Плановый |
| Ежегодно | Химическая промывка трубок, осмотр решёток | Рост ΔP на 20–25% |
| 1 раз в 2–4 года | Гидравлическое испытание, УЗК кожуха | После ремонта или по регламенту |
| 1 раз в 5–8 лет | Полное вскрытие, осмотр пучка, замена уплотнений | Капитальный ремонт |
| По потребности | Заглушка дефектных трубок | Обнаружение свища |
| Отрасль | Типовое применение | Характеристики |
|---|---|---|
| Нефтепереработка | Подогрев нефти, охлаждение дистиллятов | TEMA R, P до 4 МПа, T до 350 °C |
| Нефтехимия | Конденсаторы, ребойлеры, охладители | TEMA R/B, хромомолибденовая сталь |
| Химическая | Реакторные охладители, конденсаторы паров кислот | TEMA B, хастеллой, PTFE-уплотнения |
| Энергетика (ТЭЦ) | Конденсаторы турбин, подогреватели сетевой воды | Латунные трубки, ГОСТ 30893 |
| Пищевая | Пастеризация, охлаждение сиропов | AISI 316L, гигиеническое исполнение |
| Фармацевтическая | Стерилизация, контроль температур реакций | AISI 316L, Ra ≤ 0.8 мкм, EHEDG |
| Судостроение | Охлаждение масла двигателей, опреснение | Титан или Cu-Ni, морская вода |
Трубчатые (кожухотрубные) теплообменники — основа промышленного теплообмена. Их универсальность, высокое давление, температура и возможность работы с загрязнёнными средами делают их незаменимыми в нефтепереработке, химии, энергетике и пищевой промышленности.
Грамотный подбор аппарата — это не только правильный расчёт поверхности, но и выбор конструктивного исполнения (тип решётки, число ходов, схема перегородок), материала трубок и решёток, а также нормативной базы для документирования.
Инженеры S22 выполняют полный тепловой расчёт по методологии ТЕМА и ГОСТ, подбирают оборудование от проверенных производителей и обеспечивают поставку с полным комплектом документации. Звоните: 8 800 302-58-17.
Смежные статьи: Теплообменник труба в трубе, Спиральные теплообменники, Теплообменники для охлаждения.
Укажите параметры процесса — инженер S22 выполнит тепловой расчёт и предоставит предложение за 1 рабочий день.
Число трубок N выбирается из условия обеспечения необходимой скорости в трубном пространстве и технологических требований.
| Тип среды | Оптимальная скорость, м/с | Re (турбулент.) | Типовой k, Вт/м²К |
|---|---|---|---|
| Вода (трубное) | 1.0–2.5 | > 10 000 | 600–1500 |
| Вода (межтрубное) | 0.3–1.0 | > 5 000 | 400–900 |
| Масло (трубное) | 0.5–1.5 | > 2 300 | 80–300 |
| Пар (конденсация) | — | — | 800–2500 |
| Газ (трубное) | 8–20 | > 20 000 | 20–80 |
Ориентировочные цены на кожухотрубные теплообменники от российских производителей (ГОСТ 27590) в исполнении из нержавеющей стали AISI 304.
| Поверхность | D кожуха | Цена (нерж.) | Срок поставки |
|---|---|---|---|
| 5–15 м² | DN200–DN250 | от 45 000 руб. | 3–7 рабочих дней |
| 20–60 м² | DN325–DN400 | от 120 000 руб. | 7–14 рабочих дней |
| 80–200 м² | DN500–DN600 | от 300 000 руб. | 14–30 рабочих дней |
| 250–500 м² | DN800–DN1000 | от 700 000 руб. | 30–60 рабочих дней |
| > 500 м² | DN1000+ | по запросу | 60–120 рабочих дней |
Выбирайте кожухотрубный теплообменник, если давление выше 3 МПа, температура выше 200 °C, среда загрязнённая или вязкая, или требуется длительный срок службы с минимальными остановками на обслуживание.
Для нагрузок до 1 МПа и чистых сред рассмотрите пластинчатый теплообменник — он компактнее и дешевле. При вязких продуктах (> 500 мПа·с) — спиральный или труба-в-трубе с турбулизатором.
Инженеры S22 выполнят тепловой расчёт по ГОСТ/TEMA и предоставят полный комплект документации. Звоните 8 800 302-58-17 или заполните форму расчёта.
| Задача | Рекомендация |
|---|---|
| Нефтепереработка, высокое давление | Кожухотрубный TEMA R, плавающая головка, сталь 09Г2С/12ХМ |
| Умеренные условия, ЖКХ | Кожухотрубный TEMA C или пластинчатый |
| Пищевая/фармацевтическая | Кожухотрубный AISI 316L или пластинчатый гигиен. |
| Коррозионные среды | Хастеллой, титан, покрытые трубки |
| Большая вязкость > 500 мПа·с | Труба в трубе или спиральный |