Кожухотрубный теплообменник

Вот о чём часто забывают, когда говорят про кожухотрубный теплообменник: многие думают, что это просто набор труб, засунутых в бочку, и главное — правильно посчитать площадь. На деле же, если подходить с такой логикой, можно здорово промахнуться. Я сам лет десять назад так думал, пока не столкнулся с ситуацией на одной из обогатительных фабрик под Чжаоюанем — там, в этом ?Золотом столице?, где, кстати, базируется ООО Шаньдун Цянь Шэн Горнодобывающее Оборудование, с их серьёзным подходом к инжинирингу. У них на сайте sdqs.ru видно, что они в оборудовании для добычи разбираются, а теплообменники — часто критичный узел в таких системах охлаждения или подогрева пульпы, реакционных сред. Так вот, тогда мы поставили аппарат, вроде бы по всем ГОСТам, а он начал вибрировать и греметь через полгода. Оказалось, что при расчёте не учли пульсирующий характер потока шламового насоса. И это только первый из десятка подводных камней.

Конструкция: где кроется дьявол

Когда берёшь каталог, там всё красиво: кожух, трубные решётки, пучок труб, крышки. Кажется, собрал — и работает. Но на практике ключевое — это как раз детали, которые в расчётах часто идут вторым планом. Например, выбор схемы движения теплоносителей. Для той же горнодобычи, где часто нужно охлаждать абразивные суспензии, классическая схема ?один ход в трубах, один ход в межтрубном? может быть убийственной. Абразив быстро протрёт трубки. Мы в ряде проектов для предприятий, схожих по профилю с ООО Шаньдун Цянь Шэн, стали применять схему, где грязный поток идёт по межтрубному пространству большого диаметра, а чистый теплоноситель — в трубках. И тут сразу встаёт вопрос с вибрацией пучка.

Трубные решётки — отдельная история. Их толщина и расстояние между перегородками в кожухе — это не просто цифры из справочника. Если перегородки поставить редко, поток в межтрубном пространстве начинает ?проскакивать? прямо вдоль кожуха, плохо омывая центральные трубы. Теплообмен падает. Ставишь часто — растёт гидравлическое сопротивление, насос может не потянуть. Нужен баланс, который часто находится только эмпирически или на основе опыта предыдущих проектов. Упомянутая компания, судя по масштабам производства (более 50 сотрудников, включая 5 специалистов с высшим образованием), наверняка сталкивалась с подобными оптимизациями при комплектации своих технологических линий.

И ещё момент — материалы. Для кислотных сред — одни стали, для морской воды — другие, а для гидроциклона подогрева пульпы — может, и вовсе нужна биметаллическая труба с внутренним покрытием. Частая ошибка — экономия на материале трубных решёток. Кажется, кожух из углеродистой стали, решётка из той же — и ладно. Но из-за разной толщины и условий они работают в разных температурных режимах, возникают напряжения. Через пару теплосмен могут появиться микротрещины, а потом и течь по трубной доске. Приходилось переваривать.

Монтаж и ?полевые? условия

Даже идеально спроектированный кожухотрубный теплообменник можно угробить на монтаже. Самое критичное — выдержать соосность и не создать внутренних напряжений. Помню случай на одной из фабрик: монтировали большой аппарат, приварили опоры к кожуху, а потом начали притягивать трубные пучки. Оказалось, фундамент дал небольшую усадку, кожух ?повело?, и пучок встал с усилием. Вроде бы вставили. Запустили — а через месяц пошла течь в месте крепления труб к решётке. Вибрация и температурные деформации сделали своё дело. Пришлось снимать, выравнивать фундамент, ставить скользящие опоры. Теперь всегда обращаю внимание на паспорт фундамента и допуски на монтаж.

Ещё одна тонкость — обвязка. Подводящие патрубки должны быть снабжены компенсаторами, особенно если температура рабочих сред выше 150°C. Жёсткая приварка трубопровода к аппарату — прямой путь к разрыву фланцевого соединения при тепловом расширении. Но и тут не перестараться: если поставить слишком мягкий компенсатор на входе абразивной пульпы, он начнёт вибрировать от пульсаций насоса и быстро износится. Нужен расчёт на конкретные условия.

И, конечно, подготовка среды. Даже если в проекте заложен фильтр на входе, на практике его часто или не чистят, или ставят сетку с слишком крупной ячейей. Попадание окалины, кусочков уплотнителя от фланцев или просто крупного песка в межтрубное пространство теплообменника — это гарантированное забивание ходов между трубами и падение эффективности. Приходится ставить магнитно-сетчатые фильтры с возможностью промывки без остановки, но и за ними нужен глаз да глаз.

Эксплуатация: между регламентом и реальностью

В теории всё просто: работай в расчётном режиме, проводи периодическую промывку. На практике режимы работы технологической линии постоянно меняются: то руда другая пошла, то производительность подняли, то насос поменяли. И теплообменник начинает работать в нерасчётном режиме. Например, снизили расход охлаждающей воды, чтобы сэкономить. Температура на выходе растёт, но ещё вроде в допуске. А что внутри? Может начаться локальное вскипание в трубах, кавитация, ускоренное солеотложение. Эффективность падает постепенно, и когда падение становится заметным, аппарат уже обрастает изнутри такой ?шубой?, что простой промывкой не обойтись.

Химическая промывка — тоже палка о двух концах. С одной стороны, необходима для удаления накипи. С другой — неправильно подобранный реагент или время выдержки может повредить материал труб, особенно если есть пассивирующий слой. Однажды видел, как после промывки кислотой на теплообменнике из нержавейки пошли точечные коррозии. Выяснилось, что в реагенте были хлориды, о которых служба эксплуатации не знала. Теперь всегда требую паспорт на промывочный состав и проверку его на образце материала.

Контроль температуры — банально, но важно. Недостаточно смотреть на термометры на входе и выходе. Нужно замерять температуру по секциям, если аппарат большой. Перепад температур по длине кожуха может указать на забивание части ходов или на неполадки с распределительными камерами. Иногда простая термография снаружи (если кожух не изолирован) помогает найти ?мёртвые? зоны, где нет теплообмена.

Ремонтопригодность и модернизация

Конструкция кожухотрубного теплообменника вроде бы предполагает лёгкий ремонт: вытащил пучок, заменил трубки или заглушил. Но на практике часто оказывается, что аппарат стоит в такой тесноте, что для извлечения пучка нужно разбирать полцеха. При проектировании технологических линий, как те, что, вероятно, собирает ООО Шаньдун Цянь Шэн Горнодобывающее Оборудование, это нужно закладывать изначально: предусмотреть монтажные проёмы, тельферные пути. Иначе каждый ремонт превращается в многодневный простой с огромными трудозатратами.

Заглушение трубок — временная мера. Кажется, заглушил 5% трубок — и аппарат ещё работает. Но при этом растёт скорость потока в оставшихся трубках, увеличивается эрозия. А если заглушены трубки рядом, то нарушается вся картина теплообмена в пучке. Лучше, конечно, сразу менять пучок или, как вариант, переходить на теплообменники с разборными камерами, где можно заменить отдельные секции. Но это дороже.

Модернизация старого аппарата — частый запрос. Например, нужно увеличить производительность. Простое увеличение длины труб или их количества не всегда возможно из-за габаритных ограничений. Тогда приходится идти на хитрости: ставить турбулизаторы потока в межтрубном пространстве, менять схему на многоходовую, применять трубы с оребрением. Но каждый такой шаг требует пересчёта гидравлики и проверки на прочность. Иногда проще и дешевле поставить второй аппарат параллельно, но это снова вопрос места и обвязки.

Выбор и спецификация: что спрашивать у поставщика

Когда заказываешь новый аппарат, недостаточно просто указать тепловую нагрузку и среды. Нужен технический расчёт, но не просто лист с цифрами, а с пояснениями. Какие были приняты коэффициенты загрязнения? Для горнодобывающих сред они могут быть в разы выше, чем для чистой воды. Какова заложена скорость потока в трубках? Слишком низкая — будет быстрое отложение шлама, слишком высокая — эрозия. Каков запас поверхности? Для тяжёлых условий 15-20% — не роскошь, а необходимость.

Важно смотреть на исполнение трубных решёток и развальцовки/сварки труб. Для аппаратов, работающих под давлением, развальцовка с последующей развальцовкой с обкаткой часто надёжнее просто сварки. Но это дороже. Нужно понимать, какие нагрузки будет испытывать аппарат. Если есть вибрация от соседнего оборудования (дробилки, мельницы), то это должно быть отражено в расчёте на вибронагрузку. Поставщик вроде ООО Шаньдун Цянь Шэн, с их инженерным персоналом, должен такие вопросы прорабатывать, а не просто продавать типовую модель.

И последнее — комплектация. Идёт ли в комплекте запорная арматура, контрольно-измерительные приборы, опоры? Часто бывает, что аппарат поставили, а под него нет штатных опор или они не подходят к существующим фундаментам. Возникает кустарная доработка, которая снимает всю гарантию. Лучше сразу оговаривать полный комплект поставки ?под ключ?, включая проект монтажа. Это экономит массу времени и нервов на объекте. В общем, кожухотрубный теплообменник — это не просто ?железка?, это узел, который требует комплексного взгляда: от проекта до вывода в режим. И опыт, часто горький, здесь — самый ценный советчик.