Теплообменники. Теплообменные аппараты. Типы, виды, устройство, расчет теплообменников.

1. Типы теплообменников

Теплообменник - это устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя теплоносителями, имеющими различные температуры.

Теплообменные аппараты очень распространены. В широком смысле слова к теплообменным относят все аппараты, в которых осуществляется обмен теплотой между греющей и нагреваемой средами.

Теплообменные аппараты бывают трех видов: рекуперативные (поверхностные), регенеративные и смесительные.

Конструкция теплообменника зависит от условий для его применения. Существуют теплообменные аппараты, в которых одновременно с теплообменом протекают и смежные процессы, такие как фазовые превращения, например, конденсация, испарение, смешение. Такие аппараты имеют свои наименования: конденсаторы, испарители, градирни, конденсаторы смешения.

2. Рекуперативные (поверхностные) теплообменники

Рекуперативный теплообменник - это теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, теплообмен происходит через стенку (рис. 16-28). При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. Если параметры теплоносителей на входах в теплообменник постоянны, то при ламинарных течениях внутри параметры теплоносителей будут независимы от времени. В этом случае процесс теплопередачи является стационарным и такие теплообменники называют также стационарными, в противоположность, например, регенеративным теплообменник.

Рис. 16. Простейший теплообменник типа «труба в трубе»

В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также при взаимно поперечном движении двух взаимодействующих сред.

Рис. 17. Теплообменники для газовой промышленности

Рис. 18. Поверхностный подогреватель воды

Рис. 19. Поверхностный конденсатор для конденсации пара

Рис. 20. Принципиальная схема поверхностного конденсатора для пара

Кожухотрубные теплообменники

Кожухотрубные теплообменники предназначены для нагрева или охлаждения, испарения или конденсации различных жидких и парообразных сред в различных технологических процессах.

Рис. 21. Устройство кожухотрубного теплообменника, его основные элементы и принципиальная схема движения теплоносителей в нем

Обычно кожухотрубные теплообменники используются при давлениях теплоносителя более 2,5 МПа, а при меньших давлениях применять пластинчатые теплообменники намного эффективнее.

Спиральные теплообменники

Спиральный теплообменник был изобретен в двадцатых годах ХХ века шведским инженером Розенбладом для применения в целлюлознобумажной промышленности. Эти теплообменники впервые позволили обеспечить надежную теплопередачу между средами, содержащими твердые включения. В 70-х годах конструкция спиральных теплообменников была радикально изменена и улучшена, и приобрела большие преимущества по сравнению с конструкцией Розенблада.

Два или четыре длинных металлических листа укладывают спиралью вокруг центральной трубы, образуя два или четыре однопроточных канала. Чтобы обеспечить постоянную величину зазоров, к одной стороне листов привариваются разделительные шипы. Центральная труба при помощи специальной перегородки разделена на две камеры, которые образуют входной и выходной коллектора. Скрученные спирали помещаются в цилиндрический кожух. Внешние концы спиральных листов привариваются вдоль образующей обечайки. Для выхода каналов наружу в местах фиксации краев каналов в кожухе просверливаются отверстия, которые герметично закрываются входным и выходным коллекторами с присоединительными патрубками.

Движение потоков в спиральных теплообменниках происходит по криволинейным каналам, близким по форме к концентрическим окружностям. Направление векторов скоростей движения потоков постоянно претерпевают изменение. Геометрия каналов и разделительные шипы создают значительную турбулентность уже при низких скоростях потоков, при этом улучшается теплопередача и уменьшается загрязнение.

Это обеспечивает компактность конструкции спиральных теплообменников, которые могут быть интегрированы с любой технологической линией, что значительно сокращает затраты на установку.

Рис. 22. Спиральные теплообменники

Пластинчатые теплообменники

Теплообменник пластинчатый - это устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодной (нагреваемой) среде через стальные, медные, титановые гофрированные пластины, которые стянуты в пакет. Горячие и холодные слои перемежаются друг с другом.

Рис. 23. Концептуальная схема пластинчатого теплообменника

Основным элементом теплообменника являются теплопередающие пластины, изготовленные из коррозионно-стойких сплавов толщиной 0,4 - 1,0 мм методом холодной штамповки (рис. 24-25).

Рис. 24. Отдельная пластина теплообменника и пластины в нем

В рабочем положении пластины плотно прижаты друг к другу и образуют щелевые каналы. На лицевой стороне каждой пластины (рис. 24-26) в специальные канавки установлена резиновая контурная прокладка, обеспечивающая герметичность каналов. Два из четырех отверстий в пластине обеспечивают подвод и отвод греющей или нагреваемой среды к каналу. Два других отверстия дополнительно изолированы малыми контурами прокладки, предотвращающими смешение (переток) греющей и нагреваемой сред.

Рис. 25. Теплообменные пластины с уплотнительными прокладками

Рис. 26. Основные элементы пластинчатого теплообменника

Количество пластин 1 в теплообменнике (рис. 26), их компоновка, материал, форма и размер зависят от конкретной задачи теплообмена двух сред. В зависимости от области применения пластины теплообменника могут быть изготовлены из хромоникелевых, хромонике- лемолибденовых нержавеющих сталей, титана и других материалов.

По периметру пластины расположены прессованные канавки для уплотнений. Уплотнения 2 предназначены для отделения каналов друг от друга, предотвращения протечек и смешивания сред. Они также определяют направление потока внутри пластинчатого теплообменника. Уплотнения изготавливаются из нитриловой резины (NBR), этиленпропиленовой резины (EPDM), материала Viton. Выбор материала зависит, главным образом, от применяемых сред, а также их рабочих температур и давлений.

Рама состоит из неподвижной плиты 3, прижимающей плиты 4, верхней 6 и нижней 7 направляющих, задней стойки 8. Шпильки 5 стягивают пластины, размещенные между плитами в пакет. Штуцеры 9 предназначены для ввода и вывода теплоносителя.

В пластинчатых теплообменниках смежные пластины формируют каналы, в которых через пакет пластин движутся попеременно горячий и холодный теплоносители.

Пространственное извилистое течение жидкости в каналах способствует турбулизации потоков, а противоток между нагреваемой и греющей средой способствует увеличению температурного напора и, как следствие, интенсификации теплообмена при сравнительно малых гидравлических сопротивлениях. При этом резко уменьшается отложение накипи на поверхности пластин.

Рис. 27. Пластинчатые теплообменники

При аналогичных параметрах пластинчатые теплообменники в 3-6 раз меньше по габаритам и составляют 1/6 от веса кожухотрубных теплообменников. То есть экономятся не только площади под установку, но и снижаются начальные затраты. Кожухотрубные теплообменники обеспечивают гораздо меньшие коэффициенты теплопередачи, чем пластинчатые при аналогичной потере давления. Даже в самых лучших кожухотрубных теплообменниках значительные поверхности труб находятся в мертвых зонах, где малая теплопередача. В отличие от кожухотрубных пластинчатые теплообменники легко разбирать.

При большой разнице в расходе сред, а также при малой разнице в конечных температурах сред существует возможность многократного теплообмена сред путем петлеобразного направления их потоков. В таких теплообменниках патрубки для подвода сред расположены не только на неподвижной плите, но и на прижимной, а вдоль пластин-перегородок среды движутся в одном направлении.

Пластинчатые теплообменники бывают следующих видов: разборные (рис. 28), паяные (рис. 29), сварные (рис. 30), полусварные (рис. 31).

Рис. 28. Разборные пластинчатые теплообменники

Рис. 29. Паяные пластинчатые теплообменники

Рис. 30. Сварной пластинчатый теплообменник

Рис. 31. Полусварные пластинчатые теплообменники

Использование пластинчатого теплообменника позволяет обеспечить дом или квартиру современной энергосберегающей системой приточно-вытяжной вентиляции (рис. 32). Небольшой вентилятор обеспечивает дом свежим, чистым наружным воздухом, одновременно с удалением загрязненного внутреннего воздуха, который содержит меньше кислорода, на улицу. При этом сохраняется часть энергии, затраченной на отопление. В результате достигается экономия энергоресурсов (энергоносителя или электричества). Одновременно с этим воздух очищается от пыли и грязи с помощью специального фильтра. При этом процессе потоки воздуха попадают в специальный алюминиевый теплообменник перекрёстный пластинчатый теплообменник. При этом энергия, аккумулированная в доме (теплота или холод), передается воздуху, который поступает с улицы. Такое теплоутилизирующее оборудование Lifebreath позволяет передавать теплоту, накопленную внутри дома, от удаляемого внутреннего воздуха к свежему наружному воздуху с максимально возможным в настоящее время КПД.

Рис. 32. Энергосберегающая система приточно-вытяжной вентиляции с пластинчатым теплообменником

3. Регенеративные теплообменники

Регенеративным называется теплообменник, в котором одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителями. При соприкосновении с горячим теплоносителем стенка аккумулирует теплоту, а затем отдает ее холодному теплоносителю. Для удовлетворительной работы теплообменника его рабочие стенки должны обладать значительной теплоемкостью.

Режим теплообмена в регенеративных теплообменниках нестационарный. Чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периода нагрева и охлаждения, такой теплообменник должен иметь две параллельно работающие секции.

Примером регенеративного теплообменника являются роторные теплообменники, которые широко применяются в системах приточновытяжной вентиляции. Принцип их работы показан на рис. 33.

Рис. 33. Принцип работы регенеративных роторных теплообменников

Рис. 34. Регенеративные теплообменники

Примером регенеративного теплообменника может служить также регенеративный воздухоподогреватель (рис. 35), в котором в верхней камере непрерывно движущаяся насадка нагревается теплотой топочных газов, а в нижней она охлаждается воздухом, который нагревается до необходимой температуры.

Рис. 35. Регенеративный теплообменник для нагрева воздуха топочными газами: 1 - газовая камера; 2 - воздушная камера; а - подвод горячих газов из топки, б - отвод отработанных газов; в - подвод холодного воздуха; г - отвод горячего воздуха; е - подача сыпучей насадки; д - отвод сыпучей насадки и возврат остывшей насадки

4. Смесительные теплообменники

Смесительный теплообменник (или контактный теплообменник) - это теплообменник, предназначенный для осуществления тепло- и массообменных процессов путем прямого смешивания сред (в отличие от поверхностных теплообменников) (рис. 36- 38). Наиболее распространены пароводяные струйные аппараты ПСА - теплообменники струйного типа, использующие в своей основе струйный инжектор. Смесительные теплообменники конструктивно устроены проще, нежели поверхностные, более полно используют теплоту. Однако пригодны они лишь в случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.

Рис. 36. Схемы смесительных теплообменников: а - струйный смеситель; б - скруббер (оросительный теплообменник)

Рис. 37. Струйный смеситель (слева) и градирни (справа)

Рис. 38. Принципы работы оросительных теплообменников

5. Расчет теплообменных аппаратов

При расчете поверхностных теплообменных аппаратов основным уравнением для расчета является уравнение

(41)

где Q - количество теплоты, переданной через стенку от греющей среды к нагреваемой за единицу времени, Вт; k - коэффициент теплопередачи, равный обратной величине термического сопротивления и определяемый по формуле (42):

(42)

где F - поверхность теплообменника, м2; t - температурный напор, град.

Ранее предполагалось, что температура греющей и нагреваемой сред не изменяется вдоль поверхности нагрева. Однако, хотя такой случай и встречается на практике (в испарителях), но чаще всего температура теплоносителей по поверхности нагрева изменяется. На рис. 39,а показана схема теплообменника, где теплоносители движутся противоточно навстречу друг другу. На рис. 39,б изображен теплообменник, в котором теплоносители движутся по схеме прямотока (параллельного тока); в этом случае величина t изменяется по поверхности нагрева сильнее, чем в предыдущем случае. Бывают и теплообменники с перекрестным током и с движением теплоносителей по сложным схемам (рис. 39,в).

Рис. 39. Схема теплообменников: а - противоток; б - прямоток; в - перекрестный ток

Рис. 40. Изменение температуры жидкости в теплообменном аппарате: а - прямоток; б - противоток