Основные виды теплообменников, теплоносителей, схемы теплообменников

Пластины устройства

Таким образом, мы с вами выяснили, какой имеет пластинчатый теплообменник принцип работы. Устройство пластины у этого простого в использовании оборудования элементарное. В каждой есть по 2 отверстия под среды. Помимо этого, пластины могут иметь рельеф, способствующий направлению прохождения жидкостей или газов. Толщина их зависит от назначения, габаритов устройства и давления в нем.

Поскольку эти элементы конструкции обменника постоянно находятся в агрессивной среде, изготавливаться они должны из максимально устойчивого к ней материала. Чаще всего такие пластины делают из нержавеющей стали. При этом обычно используется марка 1.4404/AISI 316L. Такая сталь содержит в себе молибден, а поэтому отличается повышенной устойчивостью к коррозии, повреждениям и воздействию хлоридов.

В том случае, если через теплообменник проходят не слишком агрессивные среды, для изготовления пластин могут использоваться и обычные марки нержавеющей стали. Очень часто также эти элементы делают из титана или титан-палладия. Используются при их производстве и другие материалы.

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

Устройство и принцип работы теплообменника

Принцип движения теплоносителя в теплообменнике пластинчатого типа

Конструкция теплообменного прибора напрямую зависит от его типа. Современные приборы для обогрева состоят из двух прижимных плит с отверстиями, к которым подключаются дополнительные элементы трубопровода. Носитель и потребитель тепла также поступают внутрь прибора благодаря наличию отверстий. Принцип работы теплообменника достаточно простой, его можно рассмотреть на примере пластинчатого агрегата. Поток тепла в таком приборе влияет на гофрированный слой в нем, постепенно набирающий скорость в процессе работы.

После запуска первого этапа среды начинают перемещаться навстречу друг другу с обеих сторон во избежание смешивания. На пластинах, расположенных параллельно, формируются рабочие каналы, во время перемещения по ним в каждой среде происходит тепловой обмен, в результате чего тепло выходит за пределы агрегата. В домашних или банных пластинчатых агрегатах внутренние потоки могут идти по схеме одноходового или многоходового типа с учетом технических характеристик и конкретных условий.

Принцип работы

Принцип работы двухходового теплообменника

Принцип работы пластинчатого теплообменника нельзя назвать простым. Пластины устанавливаются под углом 180 градусов относительно друг друга. Обычно это спайка из двух пар пластин, которые обеспечивают вход и выход тепловой энергии. Крайняя пара, не участвует в процессе теплообмена.

В зависимости от конструктивных особенностей теплообменники принято разделять на три типа:

  • одноконтурные,
  • многоконтурные,
  • двухходовые.

Циркуляция тепловой энергии в одноконтурном устройстве производится перманентно, по всему контуру и в одном направлении, с одновременным противотоком теплоносителя.

Движение теплового носителя в многоконтурном оборудовании происходит в различных направлениях. Такие устройства применяются только в том случае, если есть незначительное различие температуры в обратке и входящем потоке.

Движение тепловой энергии в двухходовых устройствах происходит по двум независимым контурам, при условии постоянного контроля за тепловой подачей.

Существует еще один тип устройства – паровой пластинчатый теплообменник, отвечающий за подогрев воды или другой жидкости в системе отопления. Принцип работы этого устройства ничем не отличается от стандартных моделей пластинчатых агрегатов.

Смесительные теплообменные аппараты

В тепломассообменных аппаратах и установках контактного (смесительного) типа процессы тепло- и массообмена протекают при непосредственном соприкосновении двух и более теплоносителей.

Тепловая производительность контактных аппаратов определяется поверхностью соприкосновения теплоносителей. Поэтому в конструкции аппарата предусматривается разделение потока жидкости на мелкие капли, струи, пленки, а газового потока — на мелкие пузырьки. Передача теплоты в них происходит не только путем кондуктивной теплопередачи, но и путем обмена массой, причем при массопередаче возможен даже переход теплоты от холодного теплоносителя к горячему. Например, при испарении холодной воды в горячем газе теплота испарения переносится от жидкости к газу.

Контактные теплообменники нашли широкое применение для конденсации паров, охлаждения газов водой, нагревания воды газами, охлаждения воды воздухом, мокрой очистки газов и т. п.

По направлению потока массы контактные теплообменники могут быть разделены на две группы:

1) аппараты с конденсацией пара из газовой фазы. При этом происходят осушка и охлаждение газа и нагревание жидкости (конденсаторы, камеры кондиционеров, скрубберы);

2) аппараты с испарением жидкости в потоке газа. При этом увлажнение газа сопровождается его охлаждением и нагреванием жидкости или его нагреванием и охлаждением жидкости (градирни, камеры кондиционеров, скрубберы, распылительные сушилки).

По принципу диспергирования жидкости контактные аппараты могут быть насадочными, каскадными, барботажными, полыми с разбрызгивателями и струйными (рис. 8).

Каскадные (полочные) аппараты применяются преимущественно в качестве конденсаторов смещения (рис. 8, а). В полом вертикальном цилиндре установлены на определенном расстоянии одна от другой (350…550 мм) плоские перфорированные полки в виде сегментов. Охлаждающая жидкость подается в аппарат на верхнюю полку. Основная масса жидкости вытекает через отверстия в полке тонкими струями, меньшая ее часть переливается через борт на нижележащую полку.

Пар для конденсации подается через патрубок в нижней части конденсатора и движется в аппарате противотоком к охлаждающей жидкости. Жидкость вместе с конденсатом выводится через нижний патрубок аппарата и барометрическую трубу, а воздух отсасывается через верхний патрубок вакуум-насосом. Кроме сегментных полок в барометрических конденсаторах применяются кольцевые, конические и иной формы полки.

Барботажные аппараты (рис. 8, б) отличаются простотой конструкции, их применяют для нагревания воды паром, выпаривания агрессивных жидкостей и растворов, содержащих шламы, взвеси и кристаллизующиеся соли, горячими газами и продуктами сгорания топлива. Принцип работы барботажных подогревателей и испарителей состоит в том, что перегретый паp или горячие газы, поступающие в погруженные барботеры, диспергируются в пузырьки, которые при всплытии отдают теплоту жидкости и одновременно насыщаются водяным паром. чем больше пузырьков образуется в растворе, тем лучше структура барботажного слоя и тем больше межфазная поверхность. Структура барботажного слоя зависит от размеров газовых пузырьков и режима их движения.

Рис. 8. Виды смесительных теплообменников: а — каскадный теплообменник; б —барботажный; в — полый с разбрызгивателем; г — струйный; д — насадочная колонна: 1 — контактная камера; 2 — насадка; 3 — штуцер для входа газа; 4 — патрубок для подачи жидкости; 5 — штуцер для удаления газа; 6 — спускной штуцер для жидкости; 7 — распылительное устройство; 8 — распределительная тарелка; 9 — решетка

Полые контактные теплообменники (с разбрызгивателями) нашли применение при конденсации паров, охлаждении, сушке и увлажнении газов, упаривании и сушке растворов, нагревании воды и др. На рис. 8, в показана схема контактного водонагревательного теплообменника.

Струйные (эжекторные аппараты) применяются редко и только для конденсации паров. На рис. 8, г показана схема такого конденсатора.

Конструктивно смесительные теплообменные аппараты выполняются в виде колонн из материалов, устойчивых к воздействию обрабатываемых веществ, и рассчитываются на соответствующее рабочее давление. Насадочные и полые аппараты чаще всего изготовляются железобетонными или кирпичными. Каскадные, барботажные и струйные аппараты выполняются из металла. Высота колонн обычно в несколько раз превышает их поперечное сечение.

Каждому типу контактного устройства свойственны особенности, которые следует учитывать при выборе аппарата.

Основные виды теплообменных аппаратов

Согласно формам строения теплообменники разделяют на две большие группы – пластинчатые и трубчатые. Первые получили наибольшее распространение в пищевой промышленности, горячем водоснабжении и отоплении частных домов. Они представляют собой набор пластин с рифленой поверхностью и каналами, соединенные в единый аппарат с помощью прокладок и стяжек. Патрубки, по которым теплоноситель и теплоприемник поступают в устройство и выходят из него чаще всего располагаются на передней и задней поверхностях плит, что обеспечивает легкость эксплуатации.

Согласно методу соединения виды теплообменников пластинчатого типа разделяются на группы:

  • Разборные – герметизацию которых обеспечивают резиновые уплотнители. Их главными преимуществами являются легкость установки и эксплуатационного обслуживания, благодаря чему их активно используют на заводах и в домах. Недостатком же следует считать необходимость регулярной замены прокладок, а также отсутствие возможности работы с агрессивными средами.
  • Паянные теплообменники имеют более прочную конструкцию. Их изготавливают сугубо из высококачественной нержавеющей стали, а процесс пайки производится при создании условий вакуума. Они редко требуют эксплуатационного ремонта и способны эффективно работать с кислотами и щелочами, что сделало их неотъемлемой частью химической промышленности.
  • Сварные теплообменники, изготовленные из стали, титана или никелевых сплавов, используются в самых экстремальных условиях высокого давления и температур.

Трубчатые теплообменники применяются преимущественно в производстве, а также в качестве конструктивного элемента бытовой техники – холодильников и кондиционеров. Их общим преимуществом является устойчивость к суровым условиям работы: высоким и низким температурам, агрессивным средам и создающемуся внутри давлению.

Наиболее простой моделью трубчатого теплообменника является конструкция «труба в трубе», при которой по внутреннему контуру проходит теплоноситель, а по внешнему – теплоприемник. Возможность вариации диаметра труб с целью обеспечения оптимальной скорости движения сред и легкость обслуживания послужили главным фактором применения этой модели. Но ее внушительные габариты при малой эффективности нагрева заставили конструкторов искать иные варианты конструкций.

Ныне виды теплообменных аппаратов трубчатого типа включают достаточно большой ассортимент конструкций, используемых во всех отраслях промышленности:

  • Кожухотрубные теплообменники представляют собой множество труб малого сечения, объединенных одним кожухом. Соединенные в решетку, они представляют собой компактное устройство с высокой эффективностью работы. При необходимости увеличения объема жидкостей и скорости кожухотрубные теплообменники объединяют между собой в секционные конструкции.
  • Витые устройства – система труб, предназначенных для теплоносителя и теплоприемника, плотно закрученные вокруг сердечника. Компактные и высокопродуктивные аппараты.
  • Спиральные теплообменники имеют аналогичную конструкцию, с той лишь разницей, что оба смежных канала обвивают центральную перегородку устройства. Их главная функция – нагрев и охлаждение вязких, тягучих жидкостей.
  • Оросительные устройства представляют собой спираль с желобом, на который стекает жидкость. Такая конструкция теплообменника актуальна для создания систем вентиляции и кондиционирования, обеспечения работы морозильных и охладительных камер.

Наибольшую распространенность во всех сферах промышленности и жизни людей ныне занимают пластинчатые теплообменники, которые за счет рифленой поверхности контуров обеспечивают максимальное прилегание и циркуляцию сред. Такая конструкция обеспечивает наивысшую эффективность при компактных размерах и простоту технического обслуживания.

Конструктивные показатели

Выбор оптимальной конструкции теплообменника является задачей, разрешаемой технико-экономическим сравнением нескольких типоразмеров аппаратов применительно к заданным условиям или на основании критерия оптимизации.

На поверхность теплообмена и на относящуюся к ней долю капитальных затрат, а также на стоимость эксплуатации влияет недорекуперация теплоты. Чем меньше величина недорекуперации теплоты, т.е. чем меньше разность температур греющего теплоносителя на входе и нагреваемого теплоносителя на выходе при противотоке, тем больше поверхность теплообмена, тем выше стоимость аппарата, но тем меньше эксплуатационные расходы. Конечно, должен быть определенный оптимум увеличения капитальных и снижения эксплуатационных расходов, который можно определить графически. Известно также, что с увеличением числа и длины труб в пучке и уменьшением диаметра труб снижается относительная стоимость одного квадратного метра поверхности кожухотрубчатого теплообменника, так как при этом снижается общая затрата металла на аппарат в расчете на единицу поверхности теплообмена. Зависимость относительной стоимости теплообменника (на 1 м2) от общей поверхности теплообмена, диаметра и длины труб показана на графике:

Зависимость относительной стоимости теплообменника от общей поверхности, диаметра и длины труб. К – относительная стоимость 1 м2 поверхности нагрева; F, d, l – соответственно поверхность, диаметр и длина труб.

Следует иметь в виду, что с увеличением числа труб увеличивается вероятность нарушения плотности их крепления в трубной решетке, а с применением труб малого диаметра увеличивается их засоряемость и усложняется чистка.

При выборе типа теплообменника можно руководствоваться следующими рекомендациями.

1. При обмене теплотой двух жидкостей или двух газов целесообразно выбрать секционные (элементные) теплообменники; если из-за большой поверхности теплообменника конструкция получается громоздкой, можно принять к установке многоходовой кожухотрубчатый теплообменник.

2. При подогреве жидкости паром рекомендуются многоходовые по трубному пространству кожухотрубчатые аппараты с подачей пара в межтрубное пространство.

3. Для химически агрессивных сред и при небольших тепловых производительностях экономически целесообразны рубашечные, оросительные и погружные теплообменники.

4. Если условия теплообмена по обе стороны теплопередающей поверхности резко различны (газ и жидкость), должны быть рекомендованы трубчатые ребристые или плавниковые теплообменники.

5. Для передвижных и транспортных тепловых установок, авиационных двигателей и криогенных систем, где при высокой эффективности процесса необходимы компактность и малая масса, находят широкое применение пластинчатые ребристые и штампованные теплообменники.

6. Во всех случаях необходимо стремиться выбирать наиболее простые по конструкции и наиболее дешевые по материалам теплообменники. К усложненным аппаратам (с плавающей камерой, с сильфонным компенсатором, спиральным), а также с латунными или медными трубами следует прибегать лишь в случае обоснованной необходимости.

Такие требования к рекуперативным теплообменным аппаратам, как технологичность изготовления, эффективность достижения благоприятных тепловых и гидравлических режимов, эксплуатационные качества, компактность и металлоемкость приближенно оценены для некоторых типов рекуперативных теплообменных аппаратов в таблице:

Ребристые теплообменники

Ребристые теплообменники – теплообменное оборудование, применяемое в условиях, когда коэффициенты теплоотдачи циркулирующих сред значительно отличаются друг от друга. Поверхность элемента со стороны теплоносителя с низкой теплоотдачей увеличивают за счет ребристой поверхности.

Для изготовления труб с наружным и внутренним оребрением применяют литье, сварку, вытяжку из сплава, выдавливание горячего металла через матрицу. Эффективность ребер возрастает, если элементы выполнены из теплопроводных материалов – алюминия, латуни или меди. В зависимости от исполнения труб максимальная рабочая температура варьирует от +120 до +330 °С.

Разновидности теплообменников по области использования

Когда владелец частного или загородного дома принимает решение установить печь с теплообменником, он наиболее часто выбирает кожухотрубную систему, которая имеет в составе пучок труб, соединенных между собой в решетку с помощью сварки и пайки. Еще одна разновидность – это пластинчатые теплообменники, о которых велась речь выше, они обладают площадью теплообмена, представленной в виде пластин. Последние соединяются между собой термостойкими уплотнителями. Концентрические змеевики используются для монтажа литых теплообменников, рабочая среда в них передвигается по изогнутым трубам, а также пространству между трубами.

Нельзя упустить из внимания и спиральные устройства, которые представлены тонкими металлическими листами. Их в процессе изготовления сворачивают в спирали. Представленный список не является полным, среди наиболее распространенных можно выделить еще и воздушные, а также водяные приборы.

Теплообменник, цена которого может составить 7000 рублей, представлен сегодня в широком разнообразии. Перечислить все виды подобных агрегатов просто невозможно, поэтому выше были представлены только самые популярные. Лидером среди них является пластинчатый.

Схема подключения

Теплообменник установлен с помощью входящего и выходящего патрубка

Для подключения пластинчатого ТО используют классическую схему, в которой задействованы патрубки входа и выхода теплоносителя, расположенные на передней панели. Чаще всего эти отверстия располагают таким образом, чтобы обеспечить противоток тепловой энергии и не допустить смешивание горячего и холодного потока.

Второй вариант подключения теплообменника задействует те же патрубки входного и выходного отверстия, которые могут быть расположены не только на передней панели, но и на задней.

Подсоединение входных и выходных потоков тепловой энергии происходит посредством патрубков, с фланцевым, резьбовым или приваренным соединением.

В некоторых случаях не используют патрубки. Тогда соединение происходит путем просверливания дополнительных отверстий с внутренней резьбой под установку шпилек, которые послужат в качестве крепления теплоносителя с трубопроводом. В качестве прокладки можно взять термостойкий каучуковый или резиновый уплотнитель.

Устройство и принцип работы

Конструкция разборного пластинчатого теплообменника включает в себя:

  • стационарную переднюю плиту на которой монтируются входные и выходные патрубки;
  • неподвижную прижимную плиту;
  • подвижную прижимную плиту;
  • пакет теплообменных пластин;
  • уплотнения из термостойкого и устойчивого к воздействию агрессивных сред материала;
  • верхнюю несущую базу;
  • нижнюю направляющую базу;
  • станину;
  • комплект стяжных болтов;
  • Набор опорных лап.

Такая компоновка агрегата обеспечивает максимальную интенсивность теплообмена между рабочими средами и компактные габариты устройства.

Конструкция разборного пластинчатого теплообменника

Чаще всего, теплообменные пластины изготавливаются методом холодной штамповки из нержавеющей стали толщиной от 0,5 до 1 мм, однако, при использовании в качестве рабочей среды химически активных соединений, могут использоваться титановые или никелевые пластины.

Все пластины, входящие в состав рабочего комплекта, имеют одинаковую форму и устанавливаются последовательно, в зеркальном отражении. Такая методика установки теплообменных пластин обеспечивает не только формирование щелевых каналов, но и чередование первичного и вторичного контуров.

Каждая пластина имеет 4 отверстия, два из которых обеспечивают циркуляцию первичной рабочей среды, а два других изолируются дополнительными контурными прокладками, исключающими возможность смешивания рабочих сред. Герметичность соединения пластин обеспечивается специальными контурными уплотнительными прокладками, изготовленными из термостойкого и устойчивого к воздействию активных химических соединений материала. Устанавливаются прокладки в профильные канавки и фиксируются с помощью клипсового замка.

Принцип работы пластинчатого теплообменника

Оценка эффективности любого пластинчатого ТО осуществляется по следующим критериям:

  • мощности;
  • максимальной температуре рабочей среды;
  • пропускной способности;
  • гидравлическому сопротивлению.

Исходя из этих параметров подбирается необходимая модель теплообменника. В разборных пластинчатых теплообменниках регулировать пропускную способность и гидравлическое сопротивление можно, изменяя количество и тип пластинчатых элементов.

Интенсивность теплообмена обусловлена режимом течения рабочей среды:

  • при ламинарном течении теплоносителя интенсивность теплообмена минимальна;
  • для переходного режима характерно увеличение интенсивности теплообмена за счет появления завихрений в рабочей среде;
  • максимальная интенсивность теплообмена достигается при турбулентном движении теплоносителя.

Рабочие характеристики пластинчатого ТО рассчитываются для турбулентного течения рабочей среды.

В зависимости от расположения канавок, различают три типа теплообменных пластин:

  1. с «мягкими» каналами (канавки расположены под углом 60). Для таких пластин характерна незначительная турбулентность и небольшая интенсивность теплообмена, однако «мягкие» пластины обладают минимальным гидравлическим сопротивлением;
  2. со «средними» каналами (угол рифления от 60 до 30). Пластины являются переходным вариантом и отличаются средними показателями турбулентности и интенсивности теплопередачи;
  3. с «жесткими» каналами (угол рифления 30). Для таких пластин характерна максимальная турбулентность, интенсивный теплообмен и значительное увеличение гидравлического сопротивления.

Для увеличения эффективности теплообмена движение первичной и вторичной рабочей среды осуществляется в противоположном направлении. Процесс теплообмена между первичной и вторичной рабочими средами происходит следующим образом:

  1. Теплоноситель подается на входные патрубки теплообменника;
  2. При перемещении рабочих сред по соответствующим контурам, сформированным из теплообменных пластинчатых элементов, происходит интенсивная теплопередача от нагретой среды нагреваемой;
  3. Через выходные патрубки теплообменника нагретый теплоноситель направляется по назначению (в отопительные, вентиляционные, водопроводные системы), а остывший теплоноситель снова попадает в рабочую зону теплогенератора.

Принцип работы пластинчатого теплообменного аппарата

Для обеспечения эффективной работы системы необходима полная герметичность теплообменных каналов, которая обеспечивается уплотнительными прокладками.

Экономические показатели

А. Теплогидродинамическое совершенство. Мощность, затрачиваемая на прокачку теплоносителей в теплообменнике, определяет в значительной степени коэффициент теплопередачи, т. е. общую теплопроизводительность аппарата. Поэтому важным показателем совершенства теплообменного аппарата является степень использования мощности на прокачку теплоносителя для обеспечения требуемого теплообмена.

Теплогидродинамическое совершенство аппарата можно характеризовать отношением двух видов энергии: теплоты Q, переданной через поверхность теплообмена, и работы N, затраченной на преодоление гидродинамического сопротивления и выраженной в тех же единицах для всех потоков. Таким образом, меру использования затраченной работы на передачу теплоты можно выразить отношением

E = Q/N

Чем больше значение Е, тем при прочих равных условиях теплообменник или его поверхность теплообмена совершеннее с теплогидродинамической (энергетической) точки зрения. Энергетический коэффициент Е — величина безразмерная, поэтому числитель и знаменатель выражения E = Q/N можно относить к произвольной, но одной и той же единице, например к единице поверхности теплообмена (тепловой показатель), к единице массы поверхности теплообмена (массовый показатель) или к единице объема (объемный показатель). При сравнении аппаратов значение Е можно относить ко всей теплоте и ко всей затраченной работе либо к единице поверхности, массы или объема аппарата.

Анализ показывает, что при прочих равных условиях изменение скорости теплоносителя по-разному влияет на различные величины, характеризующие работу теплообменного аппарата: коэффициент теплопередачи изменяется пропорционально скорости (или расходу) в степени 0,6-0,8, гидродинамическое сопротивление —пропорционально скорости в степени 1,7-1,8, а мощность на прокачку теплоносителя — в степени 2,75.

С увеличением скорости теплоносителя мощность на его прокачку растет значительно быстрее, чем количество переданной теплоты, т. е. для определенного аппарата или определенной поверхности теплообмена значение энергетического коэффициента Е уменьшается с увеличением скорости теплоносителя. Поэтому абсолютное значение коэффициента Е не может служить мерой теплогидродинамического совершенства теплообменного аппарата, а полезно только при сопоставлении двух или нескольких аппаратов.

Б. Коэффициент полезного действия. Тепловым показателем совершенства теплообменника является коэффициент его полезного действия (к. п. д.):

n=Q2/Q1

где Q1 — максимально возможное количество теплоты, которое может быть передано от горячего теплоносителя холодному в данных условиях; Q2 — количество теплоты, переданное от горячего теплоносителя холодному, или теплота, затраченная на технологический процесс.

Максимально возможное количество теплоты, или располагаемая теплота, зависит от начальных температур и водяных эквивалентов теплоносителей.

Ссылка на основную публикацию