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:

• смесительные;
• регенеративные;
• рекуперативные.

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:

• жидкость - жидкость — кожухотрубные и пластинчатые теплообменники систем горячего водоснабжения, охладители масла двигателя;
• пар - жидкость — подогреватели кожухотрубной конструкции (пар в кожухе, а в трубном пучке жидкость). Деаэратор парового котла — смесительный теплообменник, в том числе подогревающий воду;
• пар-пар – в стерилизаторах;
• пар-газ - использование тепла выхлопа газовых турбин;
• газ-газ - конденсирование, испарение;
• газ-жидкость - применяется в теплообменниках-утилизаторах.

По направлению движения поверхностные теплообменники могут быть:

• противоточными, в устройстве противотока горячая и холодная жидкость движутся в противоположных направлениях.
• прямоточными, в параллельном потоке горячая и холодная текучая среда текут в одном направлении. Это также называется параллельным потоком.
• поперечный поток, в устройстве с поперечным потоком горячие и холодные жидкости движутся под прямым углом друг к другу

• Кожухотрубные - про них мы написали отдельную статью с совместимостью оборудования от kvip.su. Есть возможность провода сред с твердыми включениями. Широкий модельный ряд: могут и охлаждать, и нагревать. Долгий срок эксплуатации.
• Пластинчатые (и про них у нас есть отдельная статья), в том числе паяные неразборные для нетривиальных задач. Малые гидравлические сопротивления, гофрированная или ребристая проточная поверхность для захвата площади поверхности теплообмена, герметичные прокладки, до 150 °С температуры среды. Требуют тщательной сборки для сохранения герметичности.
• Из оребренных труб.

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.

• Спиральные.

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.

• Секционные теплообменники. Сочетание участков с несколькими трубами и противотоком полезно при работе с постоянными состояниями сред. Отсутствие перегородок снижает потребность в чистке межтрубного пространства и потерям энергии. Такие теплообменники уступают в компактности спиральным и требуют дополнительных трат на решетки, присоединения и т. д.

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:

• Тип жидкостей, поток жидкости и их свойства
• Желаемая тепловая мощность
• Ограничения по размеру
• Расходы

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