Теплообменники: устройство, виды и принцип работы

Работа теплообменников строится на взаимодействии греющей и нагреваемой среды с разными температурами. Существуют устройства, в которых одновременно с теплообменом происходит изменение состояния вещества, например, конденсация, испарение, смешение. Для разделения сложных смесей фазы меняются для обеих сред.

По принципу работы аппараты делятся на:

Контактные теплообменники (КТ) предназначены для нагрева и охлаждения различного рода жидких, газовых, твердых рабочих тел, конденсации паров, испарения (выпаривания) и кристаллизации. Их широко используют в промышленности. Например, их применяют для нагрева (охлаждения) воды газами и растворами; для нагрева (охлаждения) растворов с целью последующей кристаллизации растворенного компонента; для нагрева и охлаждения агрессивных растворов промежуточными теплоносителями, а также твердых частиц и тел газами и жидкостями. Контактные теплообменники используют в энергетических установках различных типов (для нагре-ва воды перед деаэрацией, в системах регенерации энергии в паротурбинных блоках и др.); в установках деминерализации и очистки сточных промышленных вод; в коммунальном хозяйстве для нагрева воды продуктами сгорания.

По функциональному назначению КТ можно разделить – на нагреватели, охладители, испарители (выпарные аппараты), конденсаторы, плавители, кристаллизаторы и др. В контактных теплообменниках процессы протекают как без изменения агрегатного состояния сред, так и с изменением его (испарители, конденсаторы, плавители).По принципу разделения жидкости смесительные аппараты бывают насадочные, каскадные, полые с разбрызгивателями и струйные.

Пример: Градирни (башни-”трубы” на ТЭС), охлаждающие большие объемы жидкости воздухом атмосферы

Преимущества: За счет простого устройства задействуется больше количества теплоты, чем в поверхностных теплообменниках

Недостатки: Технологический процесс должен разрешать смешения сред.

В последнее время возрос интерес к применению струйных теплообменников на объектах промышленной и гражданской энергетики. Эти аппараты привлекательны прежде всего низкими капитальными и эксплуатационными затратами по сравнению с кожухотрубнымими подогревателями. Это различного рода пароводяные струйные аппараты (ПСА) или пароводяные инжекторы и струйные подогреватели воды.Рабочим телом в ПСА является пар, а инжектируемым - вода. В таких аппаратах используется явление возникновения скачка давления при торможении сверхзвукового потока пароводяной смеси, а конденсация пара происходит в скачке давления. В отличие от теплообменников рекуперативного типа, в которых теплообмен между теплоносителем и нагреваемой водой происходит через стенку, в ПСА передача тепла от пара к воде происходит при смешении пара и воды, т.е. при конденсации пара его теплосодержание передается воде практически без потерь.

Схема струйного теплообменника

В теплообменниках рекуперативного типа холодная и горячая жидкость протекают через агрегат, не смешиваясь друг с другом. Передача тепла происходит через металлическую стенку. Примерами рекуперативных теплообменников являются котлы, нагреватели, охладители, испарители, конденсаторы и т.д.

В теплообменниках регенеративного типа одна и та же поверхность нагрева поочередно подвергается воздействию горячей и холодной жидкости. Тепло, связанное с горячей жидкостью, накапливается или поглощается забором или твердыми частицами. После этого прекращается подача горячей жидкости, и холодная жидкость проходит через отборы или твердые частицы для регенерации тепла.Примером такого типа теплообменников являются регенераторы мартеновской печи, стекловаренной печи и т. д .

В регенеративных теплообменниках жидкость по обе стороны от теплообменника почти всегда одна и та же. Жидкость проходит через теплообменник, часто достигая высоких температур. Жидкость может пройти стадию обработки, а затем она охлаждается, проходя обратно через теплообменник в противоположном направлении для дальнейшей обработки, и цикл повторяется.

Это устройство дает значительную чистую экономию энергии, так как большая часть тепловой энергии утилизируется. Необходимо добавить лишь небольшое количество дополнительной тепловой энергии на горячем конце и потерять на холодном конце для поддержания высокой температуры.

Рекуперативные и регенеративные установки могут также называться поверхностными конденсаторами.

Пример: Регенеративный воздухоподогреватель

Преимущества: За счет простого устройства задействуется больше количества теплоты, чем в поверхностных теплообменниках

Недостатки: Теплопередача - нестационарная. Для непрерывной работы при одинаковом периоде нагрева и охлаждения у аппарата должно быть два параллельно работающих участка.

Среды:

По направлению движения поверхностные теплообменники могут быть:

Это и автомобильный радиатор, и внутренний (для испарения холодильного агента), и наружный (для вывода его в атмосферу) кондиционеры. Охладители, используемые, когда искать применение вторичному ресурсу нет смысла, в виде ряда оребренных труб содержат охлаждаемую среду и за счет ламелей (перемычек) увеличивают объем исходящего тепла. Когда для охлаждения невозможно использовать воду (например, из-за вероятности непредвиденной реакции на химическом производстве), конструкцию обдувают вентиляторы.

ВАЖНО! Медь - Cu (материал трубок) и алюминий - Al (метериал ламелей) - гальваническая пара, взаимодействие которых может привести к коррозии. Конденсат попадает на стык несовместимых элементов - и агрессивность реакции из-за воздействия среды приводит к временной или окончательной остановке работы оборудования и его замене.

Были изобретены в первой половине прошлого века и использовались в целлюлозно-бумажной промышленности для включения сред с твердыми частицами. Тонкие железные листы (2 или 4), соединенные с перегородкой (керном), свернуты в спираль и помещены в кожух. Для контроля расстояния в полостях и увеличения турбулентности (следовательно, и теплопередачи) есть бобышки (шипы). На концах каналов - торцевые крышки (в кожухе делаются отверстия с патрубками). С одной стороны канал уплотнен прокладкой, с другой заварен - обеспечена легкая чистка; может случиться протечка только одной среды. Если прокладка теряет свойства, то один канал заваривают с двух сторон, а второй уплотняют ещё. Если смешивать среды безопасно, сквозные каналы уплотняются прокладкой или манжетами.

Несмотря на то, что существует множество доступных теплообменников, пригодность каждого типа (и его конструкции) для передачи тепла между жидкостями зависит от технических характеристик и требований приложения. Эти факторы в значительной степени определяют оптимальную конструкцию желаемого теплообменника и влияют на соответствующие расчеты номинальных характеристик и размеров.При проектировании и выборе теплообменника следует учитывать следующие факторы:

Подписывайтесь на наш Телеграм канал, там всегда много полезного и интересного.