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.

Смесительные (контактные) теплообменники


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.

ПримерГрадирни (башни-”трубы” на ТЭС), охлаждающие большие объемы жидкости воздухом атмосферы
ПреимуществаЗа счет простого устройства задействуется больше количества теплоты, чем в поверхностных теплообменниках
НедостаткиТехнологический 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
Рекуперативные (поверхностные) теплообменники

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.


 Регенеративные теплообменники


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.

ПримерРегенеративный воздухоподогреватель
ПреимуществаЗа счет простого устройства задействуется больше количества теплоты, чем в поверхностных теплообменниках
НедостаткиТеплопередача - нестационарная. Для непрерывной работы при одинаковом периоде нагрева и охлаждения у аппарата должно быть два параллельно работающих участка.


Типы теплообменников по используемым средам

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 


Классификация теплообменников по внутреннему строению:

  • 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.


Как выбрать?

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

Производственный отдел kvip.su с опытом более 20 лет может предоставить:

  • аудит и выезд на производство;

  • настройку оборудования;

  • расчеты от 2-3 часов после оставления заявки;

  • гарантию от 12 месяцев;

  • обоснование стоимости;

  • сопровождение в дальнейшем.

Напишите нам. Наши менеджеры свяжутся в Вами как можно быстрее.


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



 

    

Категория: Новости

Тэги:

Похожие страницы