Теплообменные аппараты понятия, классификация, принцип работы

Преимущества и недостатки разных видов теплообменных аппаратов

Особенности конструкции, использование определенного типа материала и теплоносителя накладывают на оборудование определенные ограничения, приводят к недостаткам и достоинствам.

Кожухотрубный теплообменник:

• широкий рабочий диапазон давления и температуры;
• высокая устойчивость к гидроударам;
• низкие требования к чистоте раствора;
• простая конструкция.
• низкий коэффициент передачи энергии;
• температурная деформация.

Пластинчатый теплообменник:

• компактность;
• нет потребности в сильной температурной разнице между рабочими средами;
• медленное образование солей и иных загрязнений;
• простой ремонт.
• высокая себестоимость;
• необходимость обучения персонала для работы на приборах;
• высокая стоимость обслуживающего оборудования.

Витой теплообменник:

• эксплуатация при высокой температуре и давлении;
• устойчивость к деформациям.
• малая теплоотдача.

Спиральный теплообменник:

• компактные размеры;
• высокая продуктивность;
• малое гидравлическое сопротивление.
• серьезные ограничения по рабочему давлению;
• высокая стоимость ремонта и сложное изготовление оборудования.

Выбрать один лучший теплообменный аппарат и оборудование невозможно. В разных производственных процессах и условиях для высокой производительности имеют значение разные показатели. Определение оптимальной модели должно осуществляться с учетом технологии изготовления, ожидаемых функций и иных параметров установки.

Рекуперативные аппараты

Рекуперативные теплообменники – устройства, работающие в непрерывном или циклическом режиме. Прибор периодического действия – это объемный сосуд, который поочередно через одинаковые периоды времени заполняется горячей и холодной рабочей средой.

Наиболее популярен прибор со стационарным режимом. Известный пример – кожухотрубный теплообменник.

Кожухотрубный теплообменник

Кожухотрубный аппарат состоит из скрепленных пучков труб. Межтрубная и трубная зона внутри теплообменника такого типа разделена на несколько ходов перегородками. Отличительные особенности:

1. Диаметр трубы – 12-38 мм. Это оптимальный размер для сохранения компактности устройства и хороших значений металлоемкости.
2. Длина пучка труб – 0,9-6 м.
3. Толщина стенки – 0,5-2,5 мм.

Фиксация труб осуществляется решетками с помощью сальникового соединения, запайки или развальцовки. Кожух аппарата имеет цилиндрическую форму и состоит из сваренных листов стали. Толщина стенки зависит от особенностей технологического процесса и максимального давления рабочей среды, но не может быть меньше 4 мм. Разная температура кожуха и трубы вызывает напряжение, для компенсации которого используют линзовые компенсаторы и трубы U- и W-образной формы, плавающие камеры.

Многоходовые трубы и межтрубное пространство позволяют увеличить скорость движения жидкости и интенсифицировать теплообмен для рабочей среды с низким показателем теплоотдачи.

Способы теплообмена и типы устройств

Теплообменное оборудование, виды которого рассмотрены выше, важно классифицировать и еще одному ключевому фактору – способу взаимодействия сред в нем. Одни устройства обеспечивают передачу тепла путем непосредственного контакта теплоносителя с теплоприемником и называются смесительными, другие имеют раздельные контуры для течения двух сред и называются поверхностными

Второй тип устройств получил более широкое распространение и нагрев жидкостей в нем происходит путем контакта носителей через металлическую стенку контура. Поверхностные теплообменники принято также разделять на две группы:

• Рекуперативные, в которых течение жидкостей всегда происходит в одном направлении и характеризуется стабильной константой.
• Регенеративные теплообменные устройства характеризуются поочередностью и нестабильностью контактов двух сред.

Наиболее эффективное взаимодействие происходит в рекуперативных устройствах, которые широко применяются в быту. Это все виды пластинчатых теплообменников, кожухотрубчатые и оросительные аппараты.

Классификация промышленных теплообменных аппаратов

Современные установки можно классифицировать по разным критериям: по принципу работы, внутренней конструкции, виду теплоносителей, их взаимодействию.

Современные производители предлагают теплообменники, которые позволяют осуществлять следующие виды процессов:

• нагревание;
• конденсация;
• охлаждение;
• плавление;
• дистилляция;
• затвердевание;
• выпаривание;
• кристаллизация.

В зависимости от потенциала теплоносителя можно выделить виды теплообменного оборудования:

1. Низкотемпературные аппараты.
2. Высокотемпературные аппараты, функционирующие при температуре 400-2000 °С: промышленные печи.
3. Среднетемпературные аппараты, функционирующие при температуре 150-700 °С: устройства для сушки различных изделий, утилизации тепла, обработки предметов.

По принципу действия различают:

1. Рекуперативные аппараты – приборы, в которых передача энергии осуществляется через перегородку. Пример: паровой котел.
2. Регенеративные аппараты – установка, в которой один и тот же элемент поочередно омывается холодной и горячей средой. Пример: воздухонагреватель доменной печи, регенератор стеклоплавильной и мартеновской установки.
3. Смесительные аппараты – устройство предлагает непосредственный контакт и смешивание двух или более рабочих сред для осуществления теплообменного процесса. Пример: скруббер, градирни – башенные охладители.

Первые две разновидности теплообменников называются поверхностными. Обязательное условие для передачи энергии в таких устройствах – промежуточный элемент в виде поверхности твердого тела.

По направлению движения типы теплообменного оборудования классифицируют на:

1. Прямоточные модели: горячая и холодная среда двигаются в одном направлении вдоль функционального элемента.
2. Противоточные модели: встречное движение веществ.
3. Перекрестноточные модели: перекрёстное направление потоков.

Грамотный выбор рабочей среды и типа теплообменного устройства – залог высокой производительности технологического процесса.

Принцип работы теплообменника

• конвекция;
• тепловое излучение;
• теплопроводность.

Классификация приборов происходит по тому, каким из способов тепло поставляется к холодному объекту, а именно:

• смесительный способ;
• теплообменный способ.

В их принципе работы, устройстве и виде заключается основная разница

Именно потому важно, прежде чем совершить покупку теплообменника, изучить все имеющиеся виды в продаже. Лучшим вариантом описания принципа действия изделия является пример с поверхностными агрегатами

Они считаются одними из самых распространённых конструкций среди пользователей. Внутри этого прибора сосредоточены чувствительные элементы, которые нагреваются, передавая тепло холодному объекту.

Если взять смесительный агрегат, то он совмещает в себе взаимодействие воздуха и жидкости, выдавая в итоговом результате высокий уровень коэффициента полезного действия. Тем самым — это устройство становится лёгким по изготовлению, с высокой скоростью получения нужного результата. Только при смешивании двух различных сред можно достичь подобных результатов.

Каждый теплообменник имеет и набор устройств, которые работают по особому принципу. Их разделяют на два вида:

• рекуперативные;
• регенеративные.

В первом виде подразумевается использование двух разных жидкостей. Они взаимодействуют между собой с помощью разделительной стенки. В процессе обмена температурами, поток в обоих вариантах остаётся прежним и не изменяется. Во втором виде теплообменников прослеживается наличие рабочего элемента, который в то же время является и источником поставляемого тепла и своеобразным зарядным устройством. При контакте с жидкостями, элемент нагревается, издавая в пространство необходимое тепло. В этом случае, поток тепла может изменить своё направление.

Принцип работы на примере пластинчатого теплообменника

отличается довольно сложным принципом действия

На сегодняшний день производители техники предлагают пользователю получить два различных вида комплектации.

1. Одноходовой. Теплоноситель разделяется и создаёт параллельные потоки. Практически сразу же они стекают в выводной порт.
2. Многоходовой. Этот вариант подразумевает использование сложной схемы. Теплообменник начинает своё движение по одинаковому количеству задействованных каналов. Такой принцип работы подразумевает наличие дополнительных элементов (пластин), которые заканчиваются заглушками в отводных портах. Эта особенность добавляет сложности в обслуживание подобных элементов.

Общие советы от специалистов

Вся сложность заключена в единственном правиле – как и любой прибор на планете, устройство теплообменника требует ремонта. Каждая процедура ремонта влечёт ряд второстепенных проблем, который специалисты стараются решить подручными средствами и способами. В этом механизме, как и в большинстве видов, присутствуют разные трубки. Именно они и являются самой частой причиной поломок. При проведении даже диагностики исправности этих элементов конструкции, следует чётко понимать – малейшее неверное действие и прибор может снизить уровень работы.

Все чаще встречаются люди и организации, которые покупают несколько теплообменников сразу. Эта особенность позволяет сразу же заменить повреждённое устройство новым.

Некоторые нюансы могут возникнуть и при регулировке агрегатов. Если неправильно ввести значения, то площадь работы теплообменника резко снизится. В этом случае происходит нелинейное изменение рабочей площади.

Главным советом специалистов становится отказ от самостоятельных действий по созданию любого вида теплообменника. Процесс рассчитан исключительно на производственный монтаж, а потому в домашних условиях его повторить невозможно.

Существует большое количество теплообменников. Одни из них дешевле, другие надёжнее, а третьи выдают лучший результат работы. Выбрать прибор сложно, но, возможно, зная основные их характеристики. Не стоит забывать и о правилах использования устройств, будь это кожухотрубные или пластинчатые изделия. Каждый вид работает исключительно с чёткими параметрами давления и условиями окружающей среды. Не стоит забывать и о советах специалистов, работающих с механизмами не первый год и знающих их особенности.

Пластинчатые теплообменники

Пластинчатые устройства оснащены пластинами, которые объединены в пачку. Для увеличения рабочей площади практикуют разные профили элементов, включают в конструкцию профилированные вставки.

Наиболее подходящим материалом для изготовления пластин является сплав листовой стали с титаном, алюминием, мельхиором.

Характеристики конструкции:

• толщина пластины 0,5-2 мм;
• поверхность теплообмена одного элемента 0,15-1,4 м2;
• размер щелевидного канала 2-5 мм.

Нагревающий агент циркулирует в межканальном пространстве, внутри каналов – рабочая среда, которая поглощает аккумулированное в пластинах тепло.

Пластинчатые устройства можно разделить на два вида: неразборные и разборные. Второй тип подразумевает использование эластичных прокладок для создания герметичности конструкции. Они более востребованы из-за возможности произвести механическую и химическую промывку с обеих сторон. Разборный теплообменник выдерживает давление до 2,5 МПа, температуру – до +150 °С. Паяная конструкция способна функционировать при давлении рабочей среды – до 3 МПа и температуре – до +400 °С.

Основная сфера применения пластинчатых теплообменников: нагревание и охлаждение жидких растворов, монтаж греющих камер выпарных приборов, выделение из смеси чистого пара.

Рекуперативные теплообменники

В рекуперативных теплообменниках теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника.

Рекуперативные теплообменники подразделяют в зависимости от направления движения теплоносителей. Если теплоносители движутся параллельно в одинаковом направлении, теплообменник называют прямоточным, а при противоположном направлении движения – противоточным. В теплообменнике с перекрестным током теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом возможен однократный и многократный перекрестный ток. Встречаются и более сложные схемы движения теплоносителей.

Конструктивно рекуперативные теплообменники могут выполняться с трубчатыми (кожухотрубный теплообменник) и пластинчатыми (пластинчатый теплообменник) рабочими поверхностями.

Возможны также рекуперативные теплообменники с рабочей поверхностью в виде вращающейся трубы. В таких аппаратах можно получить значительное увеличение коэффициента теплопередачи.

Рекуперативные теплообменники, предназначенные для утилизации теплоты в газотурбинных установках, называют регенераторами; теплообменники для рассеивания теплоты горячей воды в окружающее пространство называют радиаторами. Назначением определяются также названия: воздухоподогреватели, маслоохладители, пароперегреватели и т.п.

Смесительные теплообменники

В смесительных теплообменниках процесс теплообмена сопровождается перемешиванием теплоносителей, т.е. они непосредственно соприкасаются друг с другом. Поэтому смесительные теплообменники называются также контактными. Процесс теплообмена в таком аппарате имеет стационарный характер и сопровождается испарением жидкости.

Смесительный теплообменник целесообразно использовать для таких теплоносителей, которые легко разделить после теплообменного аппарата. Например, такой парой теплоносителей является вода и воздух.

Наиболее важным фактором в рабочем процессе смесительного теплообменного аппарата является величина поверхности соприкосновения теплоносителей, которая зависит от степени дробления жидкости.

Для увеличения поверхности теплообмена на пути движения теплоносителей можно разместить насадку, которая представляет собой слой кускового материала (например, куски керамики, кокса и т.п.), или деревянные решетки. Пленка жидкости на поверхности насадки представляет собой дополнительную поверхность контакта, которая иногда может быть основной поверхностью теплообмена.

Из трех рассмотренных выше видов теплообменников наиболее широкое и разностороннее применение находят рекуперативные теплообменники.

Регенеративные теплообменники

Регенеративные аппараты целесообразно применять в технологических процессах, характеризуемых сильными температурными скачками. Конструкция оборудования предполагает передачу тепла от одной среды к другой посредством насадки – теплоаккумулирующей массы. Циклы работы аппарата включает в себя следующие процессы:

• поступление горячего теплоносителя;
• аккумулирование тепла в насадке;
• поступление холодного теплоносителя;
• нагревание рабочей среды за счет накопленной в насадке энергии.

Продолжительность одного цикла — от нескольких минут до нескольких часов.

Непрерывный процесс теплообмена возможен при наличии двух регенераторов: когда в одном из них происходит аккумулирование энергии, в другом осуществляется нагрев холодного теплоносителя. После автоматического переключения регенераторов процесс в каждом отсеке сменяется противоположным.