Теплообменный аппарат. Виды теплообменных аппаратов. Классификация теплообменных аппаратов

Каждый из нас сталкивался с простейшими теплообменниками. Ярким тому примером служит конструкция «труба в трубе» или что-то в этом роде. Сложно было бы представить нашу жизнь, если бы не был изобретен теплообменный аппарат. На сегодняшний день есть огромное количество теплообменников. Между собой они отличаются не только техническими характеристиками, но и сферой применения, дизайном и т. п. Давайте более подробно поговорим на данную тему и разберемся с интересными моментами.

Немного общей информации

Теплообменный аппарат – это устройство, которое используется для передачи тепла из одной среды в другую. При этом нужно понимать, что сам по себе теплообменник, без отопительного оборудования, совершенно бесполезен, а вот в комплексе можно получить замечательные результаты и успешно обогревать даже очень большие и холодные помещения. Кроме того, ученые постоянно пытались максимально сократить потери тепла при его передаче в другую среду. На сегодняшний день нельзя похвастаться 100% эффективностью, но о КПД 90-95% можно говорить смело. Эксплуатационные, а также технические характеристики изделия повышаются за счет использования специально подготовленных материалов, а также теплоносителя. Конечно, все это несколько увеличивает цену на оборудование, но оно того стоит.

При проектировании инженеры постоянно сталкиваются с противоречивыми требованиями, которые необходимо объединить в один флакон. К примеру, нужно снизить гидравлическое сопротивление и при этом повысить коэффициент теплопередачи. Теплообменный аппарат должен быть устойчивым к коррозии, но при этом не слишком сложным для обслуживания. Все это привело к тому, что появилось много видов теплообменников. В зависимости от ситуации используется тот, который лучше подходит.

Классификация теплообменных аппаратов

Как было отмечено выше, в настоящее время есть огромное количество теплообменников. Прежде всего, их необходимо разделять по способу передачи тепла к среде. Тут теплообменники делятся на следующие группы:

• рекуперативные;
• регенеративные;
• смесительные;
• с электрическим подогревом.

Давайте поближе рассмотрим рекуперативные теплообменники. Конструкция изделия подразумевает наличие однослойной или многослойной стенки, через которую передается тепло. Обычно это происходит уже в установившемся движении. Интересно то, что в такого рода аппаратах передача тепла осуществляется при вынужденном движении без изменения фазового состояния. Но это касается только постоянно действующих теплообменников. Если же говорить об агрегатах с периодическим режимом работы, то за определенный отрезок времени осуществляется нагрев, испарение, а также охлаждение, и все это в последовательном режиме. Такие аппараты относятся к теплообменникам с неустановившимся тепловым движением. Это обусловлено тем, что температура теплоносителя на входе и на выходе существенно отличается. Нередко такие агрегаты встречаются в виде змеевиков и бывают пластинчатыми, ребристыми и других форм. Немного позже мы рассмотрим несколько видов. Но на этом классификация теплообменных аппаратов не заканчивается.

Регенеративные агрегаты и электрический подогрев

В этом случае, точно так же как и в предыдущем, для передачи тепловой энергии используется поверхность теплообмена. Однако данная поверхность является своего рода насадкой. Она выполняет роль промежуточного аккумулятивного средства, которое накапливает теплоту. По большому счету весь процесс можно разделить на несколько стадий. На первом этапе насадка воспринимает определенное количество тепла. Потом идет переход ко второй стадии, и теплоноситель передается по поверхности насадки. Это случается при смене потоков теплоносителей. На этом этапе насадка постепенно охлаждается, а накопленное тепло отдается в нагреваемую среду, которой может являться ваша комната.

Регенераторы относятся к нестационарным агрегатам. Насадка зачастую неподвижная, а тепловые процессы – синхронно повторяющиеся. Устройства такого типа нередко называются скруберрами или градирнями.

Суть теплообменников с электрическим подогревом заключается в том, что в качестве основного источника тепла используется электроэнергия. Для преобразования электрической энергии в тепловую используются электродуговые установки. Они могут быть как прямого, так и косвенного нагрева. Наиболее распространенные теплообменники в промышленности – индукционные и нагреватели сопротивления. Как вы видите, теплообменное оборудование может быть разным, сейчас мы подробно рассмотрим каждый вид, сферу его применения и конструкционные особенности.

Спиральные теплообменники

Аппарат представляет собой пару спиральных каналов. Обычно они навиваются вокруг центральной перегородки. Для этого их изготавливают из рулонного материала. Стоит отметить, что спиральные теплообменники хорошо подходят для нагрева и охлаждения жидкостей, имеющих высокий коэффициент вязкости.

По большому счету поверхность нагрева образуется двумя листами из металла, которые посредством сварного шва присоединяются к керну. Сам агрегат состоит всего из 2-х каналов, обычно прямоугольного сечения, выполненных в виде спирали. Конец спирали (внутренний) имеет разделительную перегородку и фиксируется с помощью штифтов. Теплообменники могут изготавливать как вертикальными, так и горизонтальными. Если не получается установить один вид ввиду недостаточного количества места или сложной конфигурации помещения, то используется второй, более предпочтительный. Интересно еще и то, что потребитель может выбирать спиральные теплообменники с разной шириной спирали, от 20 до 150 сантиметров. При этом поверхность нагрева может изменяться от 3,2 до 100 метров квадратных с максимальным давлением системы в 1 МПа.

Нельзя не отметить, что данное теплообменное оборудование обладает целым рядом существенных преимуществ. Во-первых, это пониженное гидравлическое сопротивление. Во-вторых, компактность и высокая эффективность и интенсивность теплообмена. Но все это способствовало тому, что возникли недостатки в виде сложной конструкции и ремонта.

О пластинчатых теплообменниках

В настоящее время изготавливаются разборные и неразборные пластинчатые теплообменники. Естественно, что первый вид более предпочтителен ввиду множества причин. Во-первых, это простота обслуживания. Такое оборудование очень быстро разбирается и собирается, поэтому любая поломка устраняется за небольшое время. Неразборные модели обычно не ремонтируют, а если это и делается, то куда дольше.

Собственно, название говорит о том, что данное оборудование состоит из пакета сборных пластин. Они могут изготавливаться из различного материала, такого как медь, титан, графит и т. п. Практически всегда для улучшения эксплуатационных свойств пластины изготавливаются гофрированными. В пластинчатых теплообменниках потоки холодного и горячего теплоносителя проходят слоями.

Само по себе оборудование хорошо тем, что имеет грамотную компоновку. Это позволило увеличить площадь теплообменной поверхности и все это вместить в относительно небольшие габариты. В любом случае перед покупкой проводится расчет теплообменных аппаратов, который позволяет получить данные о том, какой мощности устройство необходимо в конкретном случае. Нужно понимать, что все пластины, которые стянуты в пакет, за счет одинаковой формы образуют между собой каналы. Через них протекает жидкость. Ну а сейчас мы рассмотрим еще несколько интересных деталей, которые касаются данного оборудования.

Использование уплотнительных прокладок

Как уже было отмечено выше, основным элементом теплообмена служат пластины. Они изготавливаются холодным штампованием. Для этого используются коррозионно стойкие сплавы, что позволяет значительно повысить долговечность и эффективность агрегата. Толщина пластин в зависимости от модели может колебаться от 0,4 до 1,0 мм. В рабочем положении пластины плотно прижимаются одна к другой. При этом образуются небольшие щелевые каналы. На лицевой стороне есть специальная канавка, туда устанавливается резиновая прокладка (уплотнитель). Кроме того, в прокладках имеются отверстия, которые необходимы для подвода и отвода жидкости. На случай прорыва одного из отверстий предусмотрена система дренажных пазов, исключающая смешивание холодных и горячих сред.

За счет создания противотока между двумя средами удалось добиться не только улучшения температурного набора, но и более быстрой теплоотдачи при относительно небольших гидравлических сопротивлениях. Не лишним будет сказать о том, что основной принцип действия основан на противотоке, то есть движении греющей и нагревающей жидкости в разные стороны. Для исключения смешивания устанавливается двойной резиновый уплотнитель или же металлическая пластина. Количество пластин и каналов может отличаться в зависимости от эксплуатационных требований, предъявляемых к оборудованию. Перед созданием проводится тепловой расчет теплообменных аппаратов, что позволяет определить оптимальный режим работы. Иногда используются дорогостоящие сплавы, которые не боятся длительной эксплуатации в агрессивной среде.

Пластинчато-ребристые теплообменники

ПРТ используются для передачи тепла в неагрессивных и газовых средах в широком диапазоне температур, от -270 до +200 градусов по Цельсию. При этом давление в системе может достигать 100 атмосфер и начинаться с вакуума. В конструкции лежит идея о нанесении ребристой поверхности по обе стороны пластин. Само изделие состоит из нескольких ребер, благодаря которым и осуществляется теплопередача между средами. Стоит заметить, что именно ребристо-пластинчатый теплообменный аппарат обладает большим разнообразием форм ребер. Это позволяет несколько изменять эксплуатационные и технические характеристики. Чаще всего можно увидеть непрерывные и волнистые ребра. Но помимо этих, встречаются и более экзотические, такие как перфорированные и чешуйчатые. В качестве материала обычно используют тонколистовые металлы. Их толщина регулируется в зависимости от давления в системе и используемой жидкости.

Нередко такие типы теплообменных аппаратов изготавливают с различными видами движения потоков. Чаще всего используется противоток, но имеют место и прямоточные, и перекрестные схемы. Если же вкратце говорить о сильных сторонах такого оборудования, то их очень много. Во-первых, это эксплуатационные свойства, такие как быстрый и интенсивный теплообмен. Во-вторых, это небольшие габариты. Сегодня многие говорят о том, что именно ребристые теплообменники являются наиболее совершенными. Наиболее часто ПРТ применяют в таких отраслях, как энергетика, нефтеперерабатывающая, химическая и авиационная отрасль промышленности. Все это обусловлено большим количеством достоинств, а также широким диапазоном используемых жидкостей и давлений в системе.

Теплообменник кожухотрубный: конструкция и особенности

Теплообменное оборудование поверхностного типа, которое мы уже рассмотрели, является не таким популярным, как кожухотрубные агрегаты. Это как раз те аппараты, о которых было сказано в самом начале, в простейшем исполнении - это система «труба в трубе». Теплообменник такого типа представляет собой систему (пучок) трубок, которые помещаются в кожух. Трубки завальцовывают и приваривают к корпусу изделия. В некоторых случаях их дополнительно обваривают. Это делается для обеспечения 100% герметичности. Корпус снабжается дополнительными патрубками. Одни нужны для подвода пара, другие - для отвода конденсата. Помимо этого, в корпусе имеются поперечные решетки, которые используются для поддержки теплообменных трубок по всей длине агрегата. Интересно то, что кожухотрубчатые теплообменные аппараты используются при температурах от 190 градусов по Цельсию или давлениях насыщенного пара более 15 Бар.

Любая система, подразумевающая движение жидкости, может быть подвержена гидроударам. Это явление способно частично или полностью вывести оборудование из рабочего состояния. Чтобы этого не случилось, используют различного рода накопительные элементы, так называемые расширительные бачки. Но в нашем случае этого не нужно, ведь кожухотрубчатые теплообменники к ним весьма устойчивы. Помимо этого, не выдвигается жестких требований к чистоте среды. Существенный минус такого оборудования заключается в том, что все виды теплообменных аппаратов данного типа очень металлоемкие, что влияет на конечную стоимость и габариты.

Теплообменники для газового оборудования

Не секрет, что любой твердотопливный или газовый котел имеет в своей конструкции теплообменник, они еще называются калориферами. Основные виды мы уже с вами рассмотрели. Как вы наверняка заметили, те или иные типы используются в различных отраслях промышленности. Какие-то аппараты нашли более широкое применение, другие используются в отдельных отраслях и не подходят под другие. В нашем же случае имеет место применение трубчатых и пластинчатых теплообменников. В первом случае мы имеем дело с системой трубок, во втором – пластин. В принципе, независимо от вида, теплообменник для газовой колонки должен отвечать ряду требований. Во-первых, обладать высоким коэффициентом теплопередачи, во-вторых, быть долговечным и устойчивым к высоким температурам. Наиболее популярными материалами являются медь, алюминий и сталь. Последний вариант менее предпочтителен, так как такой металл имеет большой вес, что понижает КПД. При любом раскладе теплообменник для газовой колонки должен служить не менее 5 лет.

Заключение

Вот мы и рассмотрели с вами основные типы теплообменников. Без внимания остались такие виды, как кожухопластинчатые. В принципе, они незначительно отличаются от классических пластинчатых или ребристых. Но нередко можно найти печи для бани с теплообменником, имеющим кожух. Однако ключевой особенностью является то, что оборудование устойчиво к высоким температурам и рабочим давлениям. Корпус при этом может быть изготовлен из таких материалов, как титан, нержавеющая или углеродистая сталь. Интересно то, что печи для бани с теплообменником кожухопластинчатым хорошо регулируются по пару или же конденсату, что, бесспорно, является весомым достоинством. В принципе, на этом можно завершать рассказ, так как теперь вы знаете о теплообменниках все, что нужно.