Теплообменный аппарат (теплообменник) - это устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими средами. Устройства, в которых между средами происходит массообмен, называют массообменными аппаратами. Аппараты, в которых одновременно протекают тепло- и массообмен, называют тепломассообменными. Движущиеся среды, обменивающиеся теплотой или применяемые для передачи теплоты от более нагретых тел и веществ к менее нагретым, называют теплоносителями.

Наибольшее распространение в тепломассообменных и теплотехнологических установках получили следующие процессы: нагревание, охлаждение, конденсация, выпаривание, сушка, дистилляция, плавление, кристаллизация, затвердевание. По потенциалу теплоносителя теплотехническое оборудование можно разделить на низкотемпературное, среднетемпературное и высокотемпературное. К высокотемпературным установкам относятся промышленные печи, им соответствуют рабочие температуры в пределах 400...2000 °С. Низко- и среднетемпературное оборудование представляет собой теплообменные аппараты, установки для тепловлажностной обработки и сушки материалов и изделий, установки утилизации тепла и пр. Рабочий диапазон среднетемпературных процессов и установок находится, как правило, в пределах 150...700 °С. Процессы с более низкими температурами, до -150 °С, называют криогенными.

Изучение тепло- и массообменных процессов и установок дает возможность правильно осуществлять выбор теплоиспользующего оборудования для решения вопросов по экономии энергоресурсов на промышленных объектах, а это является одной из задач в работе инженера-энергетика.

1. Классификация теплообменного оборудования предприятий

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для обмена теплотой между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последние принято называть теплоносителями. Теплообменные аппараты различают по назначению, принципу действия, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим знакам .

По назначению теплообменные аппараты делятся на подогреватели, испарители, конденсаторы, холодильники и т. д.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называются такие аппараты, в которых тепло от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку. Примером таких аппаратов являются паровые котлы, подогреватели, конденсаторы и др.

Регенеративными называются такие аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячей жидкости тепло воспринимается стенками аппарата и в них аккумулируется, при протекании холодной жидкости это аккумулированное тепло ею воспринимается. Примером таких аппаратов являются регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей и др.

В рекуперативных и регенеративных аппаратах процесс передачи тепла неизбежно связан с поверхностью твердого тела. Поэтому такие аппараты называются также поверхностными.

В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. В этом случае теплопередача протекает одновременно с материальным обменом. Примером таких теплообменников являются башенные охладители (градирни), скрубберы и др.

Если участвующие в тепломассообмене горячий и холодный теплоносители перемещаются вдоль поверхности нагрева в одном и том же направлении, тепломассообменный аппарат называют прямоточным , при встречном движении теплоносителей и сред - противоточным, а при перекрестном движении - перекрестноточным . Перечисленные схемы движения теплоносителей и сред в аппаратах называют простыми. В том случае, когда направление движения хотя бы одного из потоков по отношению к другому меняется, говорят о сложной схеме движения теплоносителей и сред.

2. Виды и свойства теплоносителей

В качестве теплоносителей в зависимости от назначения производственных процессов могут применяться: водяной пар, горячая вода, дымовые и топочные газы, высокотемпературные и низкотемпературные теплоносители.

Водяной пар как греющий теплоноситель получил большое распространение вследствие ряда своих достоинств:

1. Высокие коэффициенты теплоотдачи при конденсации водяного пара позволяют получать относительно небольшие поверхности теплообмена.

2. Большое изменение энтальпии при конденсации водяного пара позволяет расходовать малое его массовое количество для передачи сравнительно больших количеств теплоты.

3. Постоянная температура конденсации при заданном давлении дает возможность наиболее просто поддерживать постоянный режим и регулировать процесс в аппаратах.

Основным недостатком водяного пара является значительное повышение давления в зависимости от температуры насыщения.

Наиболее часто употребляемое давление греющего пара в теплообменниках составляет от 0,2 до 1,2 МПа. Теплообменники с паровым обогревом для высоких температур получаются очень тяжелыми и громоздкими по условиям обеспечения прочности, имеют толстые фланцы и стенки, весьма дороги и поэтому применяются редко.

Горячая вода получила большое распространение в качестве греющего теплоносителя, особенно в системах отопления и вентиляционных установках. Подогрев воды осуществляется в специальных водогрейных котлах или водонагревательных установках ТЭЦ и котельных. Достоинством воды как теплоносителя является сравнительно высокий коэффициент теплоотдачи

Дымовые и топочные газы как греющая среда применяются обычно на месте их получения для непосредственного обогрева промышленных изделий и материалов, если физико-химические характеристики последних не изменяются при взаимодействии с сажей и золой.

Достоинством топочных газов является возможность нагрева ими материала до весьма высоких температур. Однако оно не всегда может быть использовано вследствие трудности регулировки и возможности перегрева материала. Высокая температура топочных газов приводит к большим тепловым потерям. Газы, покидающие топку с температурой выше 1000 °С, доходят до потребителя с температурой не выше 700 °С, так как осуществить удовлетворительную термоизоляцию при таком высоком уровне температур достаточно трудно.

К недостаткам дымовых и топочных газов при использовании их в качестве теплоносителя можно отнести следующее:

1. Малая плотность газов, которая влечет за собой необходимость получения больших объемов для обеспечения достаточной теплопроизводительности, что приводит к созданию громоздких трубопроводов.

2. Вследствие малой удельной теплоемкости газов их необходимо подавать в аппараты в большом количестве с высокой температурой; последнее обстоятельство вынуждает применять огнеупорные материалы для трубопроводов. Прокладка таких газопроводов, а также создание запорных и регулирующих приспособлений по тракту течения газа связаные с большими трудностями.

3. Вследствие низкого коэффициента теплоотдачи со стороны газов теплоиспользующая аппаратура должна иметь большие поверхности нагрева и поэтому получается весьма громоздкой.

К высокотемпературным теплоносителям относятся: минеральные масла, органические соединения, расплавленные металлы и соли. Низкотемпературные теплоносители - это вещества, кипящие при температурах ниже 0 °С. К ним относят: аммиак, двуокись углерода, сернистый ангидрид, фреоны.

3. Рекуперативные теплообменные аппараты

Рекуперативные теплообменные аппараты - это установки, работающие в периодическом или в стационарном тепловом режиме. Аппараты периодического действия обычно представляют собой сосуды большой вместимости, которые через определенные промежутки времени заполняют обрабатываемым материалом или одним из теплоносителей, нагревают или охлаждают его, а затем удаляют. В стационарном режиме работают, как правило, аппараты непрерывного действия. Конструкции современных рекуперативных теплообменных аппаратов весьма разнообразны и предназначены для работы с теплоносителями типов жидкость-жидкость, пар-жидкость, газ-жидкость.

Значительно чаще используются теплообменные аппараты непрерывного действия , среди которых наибольшее распространение получили кожухотрубчатые теплообменники (рис. 1). Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток и ограниченных кожухами и крышками. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них разделено перегородками на несколько ходов.

В кожухотрубчатых теплообменниках обычно применяют трубы внутренним диаметром не менее 12 мм и не более 38 мм, так как при увеличении диаметра труб значительно снижается компактность теплообменника и возрастает его металлоемкость.

Длина трубного пучка колеблется от 0,9 до 5...6 м. Толщина стенки труб - от 0,5 до 2,5 мм. Трубные решетки служат для закрепления в них труб при помощи развальцовки, запайки или сальниковых соединений. Кожух аппарата представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких стальных листов. Он снабжен фланцами, к которым болтами крепятся крышки. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды и диаметром аппарата, но не делается тоньше 4 мм. Из-за различия температур греющей и нагреваемой сред кожух и трубы работающего аппарата также имеют различные температуры. Для компенсации напряжений, возникающих в результате различия температурных расширений труб и кожуха, применяют линзовые компенсаторы, U- и W-образные трубы, теплообменники с плавающими камерами (рис. 1).

Рис. 1. : а, б - с жестким креплением труб в трубных решетках; в - с линзовыми компенсаторам корпусе; г, д - с U- и W-образными трубками; е - с нижней плавающей распределительной камерой

С целью интенсификации теплообмена увеличивают скорость теплоносителей с низким коэффициентом теплоотдачи, для чего теплообменники по теплоносителю, проходящему в трубах, делают двух-, четырех- и многоходовыми, а в межтрубном пространстве устанавливают сегментные или концентрические поперечные перегородки (рис. 1).

Если перепады давления между греющей и нагреваемой средами в аппарате достигают 10 МПа и более, применяют змеевиковые теплообменники с витыми трубами (рис. 2, а), концы которых вваривают в распределительные коллекторы или в меньшие по размерам, чем в кожухотрубных аппаратах, трубные решетки. Эти аппараты более компактны, а также позволяют обеспечить более высокие скорости и коэффициенты теплоотдачи от теплоносителя, движущегося в трубах, в случае малых его расходов.

Рис. 2. : а - с витой трубчатой поверхностью нагрева (змеевиковый); б - секционный; в - «труба в трубе»

Секционные теплообменники (рис. 2, б), как и кожухотрубчатые, применяют в самых различных областях. Они характеризуются меньшим, чем в кожухотрубчатых аппаратах, различием скоростей в межтрубном пространстве и в трубах при равных расходах теплоносителей. Из них удобно подбирать необходимую площадь поверхности нагрева и изменять ее в случае необходимости. Однако у секционных теплообменников велика доля дорогостоящих элементов - трубных решеток, фланцев, переходных камер, калачей, компенсаторов и т. п.; выше расход металла на единицу поверхности нагрева, больше длина пути теплоносителей, а следовательно, больше расход электроэнергии на их прокачку. В случае малых тепловых мощностей секции выполняют по типу теплообменников «труба в трубе», у которых в наружную трубу вставлена единственная внутренняя труба меньшего диаметра (рис. 2, в).

Разборные многопоточные теплообменники «труба в трубе» нашли применение в технологических установках заводов нефтяной, химической, газовой и других отраслей промышленности при температурах от - 40 до +450 °С и давлениях до 2,5...9,0 МПа. Для улучшения теплообмена трубы могут иметь продольные ребра или поперечную винтовую накатку.

Спиральные теплообменники -аппараты, в которых каналы для теплоносителей образованы двумя свернутыми в спирали на специальном станке листами (рис. 3). Расстояние между ними фиксируется приваренными бобышками или штифтами. В соответствии с ГОСТ 12067-80 навивку спиральных теплообменников производят из рулонной стали шириной от 0,2 до 1,5 м с поверхностями нагрева от 3,2 до 100 м2 при расстоянии между листами от 8 до 12 мм и толщине стенок 2 мм для давления до 0,3 МПа и 3 мм - до 0,6 МПа. Зарубежные фирмы изготовляют специальные теплообменники из рулонного материала (углеродистых и легированных сталей, никеля, титана, алюминия, их сплавов и некоторых других) шириной от 0,1 до 1,8 м, толщиной от 2 до 8 мм при расстоянии между листами от 5 до 25 мм. Поверхности нагрева составляют от 0,5 до 160 м2.

Рис. 3. : а - принципиальная схема спирального теплообменника; б - способы соединения спиралей с торцевыми крышками

Спиральные теплообменники устанавливают по штуцерам горизонтально и вертикально. Их часто монтируют блоками по два, четыре, восемь аппаратов и применяют для нагревания и охлаждения жидкостей и растворов. Вертикальные аппараты используют также для конденсации чистых паров и паров из парогазовых смесей. В последнем случае на коллекторе для конденсата имеется штуцер для удаления неконденсирующегося газа.

Пластичные теплообменники (рис. 4, а, б) имеют щелевидные каналы, образованные параллельными пластинками. В простейшем случае пластины могут быть плоскими. Для интенсификации теплообмена и повышения компактности пластинам при изготовлении придают различные профили (рис. 4, в, г), а между плоскими пластинами помещают профилированные вставки. Первые профилированные пластины изготовлялись из бронзы фрезерованием и отличались повышенной металлоемкостью и стоимостью. В настоящее время пластины штампуют из листовой стали (углеродистой, оцинкованной, легированной), алюминия, мельхиора, титана и других металлов и сплавов. Толщина пластин - от 0,5 до 2 мм. Поверхность теплообмена одной пластины - от 0,15 до 1,4 м2, расстояние между пластинами - от 2 до 5 мм.

Рис. 4. : а - пластинчатый воздухоподогреватель; б - разборный пластинчатый теплообменник для тепловой обработки жидких сред; в - гофрированные пластины; г - профили каналов между пластинами; I, II - вход и выход теплоносителя

Теплообменники делаются:

а) разборными;

б) неразборными.

В разборных аппаратах герметизацию каналов обеспечивают с помощью прокладок на основе синтетических каучуков. Их целесообразно применять при необходимости чистки поверхностей с обеих сторон. Они выдерживают температуры в диапазоне от -20 до 140...150 °С и давления не более 2...2,5 МПа. Неразборные пластинчатые теплообменники выполняют сварными. Они могут работать при температурах до 400 °С и давлениях до 3 МПа. Из попарно сваренных пластин изготовляют полуразборные теплообменники. К аппаратам этого же типа относятся блочные, которые набирают из блоков, образованных несколькими сваренными пластинами. Пластинчатые теплообменные аппараты применяют для охлаждения и нагревания жидкостей, конденсации чистых паров и паров из парогазовых смесей, а также в качестве греющих камер выпарных аппаратов.

Ребристые теплообменники (рис. 5) применяются в тех случаях, когда коэффициент теплоотдачи для одного из теплоносителей значительно ниже, чем для второго. Поверхность теплообмена со стороны теплоносителя с низким коэффициентом теплоотдачи увеличивают по сравнению с поверхностью теплообмена со стороны другого теплоносителя. Из рис. 5 (е...и) видно, что ребристые теплообменники изготовляют самых различных конструкций. Ребра выполняют поперечными, продольными, в виде игл, спиралей, из витой проволоки и т. д.

Трубы с наружным и внутренним продольным оребрением изготовляют методами литья, сварки, вытяжкой из расплава через фильеру, выдавливанием металла, нагретого до пластического состояния, через матрицу. Для закрепления ребер на трубах и пластинах используют также гальванические покрытия, покраску. Для повышения эффективности ребер их изготовляют из более теплопроводных, чем стальные трубы, материалов: меди, латуни, чаще из алюминия. Однако из-за нарушения контакта между ребром или ребристой рубашкой и стальной несущей трубой биметаллические трубы применяют при температурах не выше 280 °С, трубы с навивным оребрением - до 120 °С; навивные завальцованные в канавку ребра выдерживают температуру до 330 °С, но быстро корродируют у основания в загрязненном воздухе и других агрессивных газах.

Рис. 5. Типы ребристых теплообменников : а - пластинчатый; б - чугунная трубка с круглыми ребрами; в - трубка со спиральным оребрением; г - чугунная трубка с внутренним оребрением; д - плавниковое оребрение трубок; е - чугунная трубка с двухсторонним игольчатым оребрением; ж - проволочное (биспиральное) оребрение трубок; з - продольное оребрение трубок; и - многоребристая трубка

4. Регенеративные теплообменные аппараты

Для повышения эффективности теплотехнологических систем, работающих в широком интервале перепадов температуры между теплоносителями, часто оказывается целесообразным применение регенеративных теплообменных аппаратов .

Регенеративным теплообменным аппаратом называют устройство, в котором передача теплоты от одного теплоносителя к другому происходит с помощью теплоаккумулирующей массы, называемой насадкой. Насадка периодически омывается потоками горячего и холодного теплоносителей. В течение первого периода (периода нагревания насадки) через аппарат пропускают горячий теплоноситель, при этом отдаваемая им теплота расходуется на нагревание насадки. В течение второго периода (периода охлаждения насадки) через аппарат пропускают холодный теплоноситель, который нагревается за счет теплоты, аккумулированной насадкой. Периоды нагревания и охлаждения насадки продолжаются от нескольких минут до нескольких часов.

Для осуществления непрерывного процесса теплопередачи от одного теплоносителя к другому необходимы два регенератора: в то время, когда в одном из них происходит охлаждение горячего теплоносителя, в другом нагревается холодный теплоноситель. Затем аппараты переключаются, после чего в каждом из них процесс теплопередачи протекает в обратном направлении. Схема соединения и переключения пары регенераторов приведена на рис. 6.

Рис. 6. : I - холодный теплоноситель, II - горячий теплоноситель

Переключение производится поворотом клапанов (шиберов) 1 и 2. Направление движения теплоносителей показано стрелками. Обычно переключение регенераторов производится автоматически через определенные промежутки времени.

Из применяемых в технике регенераторов можно выделить конструкции аппаратов, работающих в областях высоких, средних и очень низких температур. В металлургической и стеклоплавильной промышленности применяют регенераторы с неподвижной насадкой из огнеупорных кирпичей. Воздухонагреватели доменных печей выделяются своими размерами. Два или несколько совместно работающих таких воздухонагревателя имеют высоту до 50 м и диаметр до 11 м, они могут нагревать до 1300 °С примерно 500 000 м3/ч воздуха. На рис. 7, а представлен продольный разрез воздухонагревателя доменной печи с кирпичной насадкой. В камере сгорания сжигают горючие газы. Продукты сгорания поступают в воздухонагреватель сверху и, двигаясь вниз, нагревают насадку, а сами при этом охлаждаются и выходят снизу. После переключения шибера воздух движется снизу вверх через насадку в обратном направлении и при этом нагревается. Другим примером высокотемпературного регенератора является воздухонагреватель сталеплавильной печи (рис. 7, б). Г азообразное (жидкое) топливо и воздух перед подачей в печь нагреваются за счет теплоты продуктов сгорания.

Рис. 7. Некоторые типы регенераторов : а - схема мартеновской печи с регенераторами: 1 - шибер; 2 - горелки; 3 - насадка; б - воздухоподогреватель доменной печи: 1 - теплоаккумулирующая насадка; 2 - камера сгорания; 3 - выход горячего дутья; 4 - вход воздуха в камеру сгорания; 5 - вход горячего газа; 6 - вход холодного дутья; 7 - уходящие газы; в - регенеративный аппарат системы Юнгстрема; г - схема регенератора с падающей насадкой

Теплообменники, работающие при высоких температурах, обычно изготовляют из огнеупорного кирпича. Недостатками регенераторов с неподвижной кирпичной насадкой являются громоздкость, усложнение эксплуатации, связанное с необходимостью периодических переключений регенераторов, колебания температуры в рабочем пространстве печи, смещение теплоносителей во время переключения шибера.

Для среднетемпературных процессов в технике используют воздухонагреватели непрерывного действия с вращающимся ротором системы Юнгстрема (рис. 7, в). Регенеративные вращающиеся подогреватели (РВП) применяют на электростанциях в качестве воздухонагревателей для использования теплоты дымовых газов, выходящих из котлов. В качестве насадки в них используют плоские или гофрированные металлические листы, прикрепленные к валу. Насадка в виде ротора вращается в вертикальной или горизонтальной плоскости с частотой 3...6 об./мин и попеременно омывается то горячими газами (при этом нагреваясь), то холодным воздухом (при этом охлаждаясь). Преимуществами РВП перед регенераторами с неподвижной насадкой являются: непрерывный режим работы, практически постоянная средняя температура нагреваемого воздуха, компактность, недостатками - дополнительный расход электроэнергии, сложность конструкции и невозможность герметичного отделения полости нагрева от полости охлаждения, поскольку через них проходит одна и та же вращающаяся насадка.

5. 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. : 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.

Теплообменник – это специальное оборудование, предназначенное для обмена энергией между жидкостями без их смешения. Приспособление применяется в различных сферах человеческой жизни, в том числе:

отопление зданий;

работа промышленного технического оборудования и аппаратуры;

обогрев бассейна;

работа саун.

Современные механизмы эффективнее справляются с большими нагрузками, не вызывая аварийных ситуаций и поломок. Важным правило является для промышленных предприятий и коммунальных хозяйств, работа которых требует больших затрат тепловой энергии.

Пластинчатые аппараты имеют следующие преимущества:

выгодная цена;

оптимальные размеры;

компактность;

минимальное содержания металла.

Специалисты советуют купить теплообменник нового поколения при реконструкции зданий и сооружений, ведь его установка и эксплуатация поможет предприятию сэкономить время и денежные средства. Инженерные системы любых типов позволяют устанавливать новые модели оборудования без ущерба для продуктивности производственного процесса. Грамотный подход к выбору устройств поможет контролировать все этапы производственного процесса.

Сегодня самыми востребованными аппаратами на рынке являются разборные и паяные типы. Их используют в следующих целях:

формирование местной отопления;

налаживание подачи воды;

регулирование системы кондиционирования;

нагрев воды в бассейне.

Принцип работы техники

Каждый вид теплообменного оборудования имеет преимущества и недостатки. Несмотря на это, три типа имеют схожий принцип работы.

Основу механизма пластиночного агрегата образуют попарно сформированные пластины, которые имеют непосредственную связь с каналами для жидкостей. Резервуары для воды не имеют соединения между собой, что позволяет исключить необходимость смешения жидкостей.

В кожухотрубных приборах процесс обмена тепловой энергией осуществляется внутри кожуха через специальные соединения труб. Специалисты рекомендуют уточнить все детали эксплуатации и установки перед тем, как приобретать агрегат.

Цена теплообменника зависит от ряда характеристик:

мощность;

продуктивность;

качество материалов;

страна производителя;

наличие сертификатов качества и соответствия;

сложность строения.

Пластинчатое оборудование разборное

Соединение пластин аппарата осуществляется в печи вакуумной. Тонкий процесс соединения элементов конструкции обеспечивает высокую герметичность труб и эффективность использования техники. Эксплуатировать высокотехнологичное оборудование можно до десяти лет.

Преимущества:

срок эксплуатации;

прочность материалов;

исключение поломок.

Кожухотрубные теплообменники

Трубы внутри механизма - спиральные или прямые. Увеличение тепловой подачи осуществляется за счет размещения перегородок внутри конструкции.

Преимущества:

нержавеющие материалы;

доступное обслуживание;

устойчивость к коррозии.

Разборные аппараты

Каждая из пластин оснащается резиной, обладающей свойствами термостойкости. Выбор материалов для уплотнения основывается на агрегатном состоянии веществ, которые проходят через каналы.

Преимущества:

• доступное обслуживание;
• механическая очистка;
• срок эксплуатации.

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 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 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 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 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 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 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 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 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.

Воздушные конденсаторы

Конденсатор входит в число важнейших частей парокомпрессионной холодильной установки, без которых невозможно осуществление холодильного цикла. Конденсатор представляет собой теплообменный аппарат, который отводит теплоту от холодильного агента в тепловоспринимающую среду, как правило, это воздух или вода. Во многих схемах холодильный агент в конденсаторе не только изменяет своё агрегатное состояние, но и переохлаждается в виде жидкости.

Градирни вентиляторные

Градирня - эффективное устройство незначительного охлаждения тёплой воды. Конструкции градирен очень разнообразны – какие-то из них по виду и принципу действия можно отнести к обычным теплообменным аппаратам (например, сухие охладители), а какие-то сделаны из железобетона и обеспечивают расход до 60 м3/с. В градирнях, рассчитанных на большую мощность, используют непосредственный контакт атмосферного воздуха с водой.

Драйкулеры

В условиях современной промышленности для поддержания многих технологических процессов, в том числе холодильных, есть необходимость в использовании оборотной воды. Охлаждение оборотной воды эффективно с помощью такого теплообменного оборудования как градирни, сухие или вентиляторные. В случаях, когда нужна небольшая производительность, используют сухие градирни, или драйкулеры.

Теплообменники

Теплообменное оборудование, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве.

Теплообменные оборудование – теплообменные аппараты

Теплообменный аппарат – устройство для переноса тепловой энергии от оборудования к промежуточному теплоносителю, или наоборот. Теплообменное оборудование широко используется как в отопительных, так и в охлаждающих системах. Существует несколько различных видов теплообменного оборудования, по сути выполняющих одну и ту же задачу – передачу тепловой энергии. Но каждый вид теплообменного оборудования имеет свою специфику и применяется там где наиболее эффективен.

В условиях современного рынка лидером по производству качественного теплообменного оборудования является Европа. Именно оттуда к нам пришло, пожалуй, самое большое количество известных брендов. С каждым годом заводы ЕС продолжают совершенствовать свои технологии и делают теплообменное оборудование всё более качественным, упрощая при этом технологию, что положительно влияет на ценовые предложения. Именно поэтому необходимо точно подобрать теплообменный аппарат для решения именно ваших задач и изготовленное надёжным производителем. Опираясь на многолетний опыт, наша компания предоставит вам эту возможность.

Теплообменное оборудование - аппараты с помощью которых передаётся тепло между средами в промышленном производстве.

Наша организация осуществит поставку любого теплообменного оборудования. Специалисты помогут подобрать оптимальный вариант. Но перед непосредственным исполнением заказа следует осуществить расчёт теплообменного оборудования , необходимо указать следующие характеристики теплоносителей: род, расходы, температуры, допустимое гидравлическое сопротивление, рабочее давление, плотность, теплоёмкость, теплопроводность, кинематическую вязкость. От этих характеристик зависит какой тип теплообменного оборудования наиболее подходит для вашей цели.

Теплообменники делятся на поверхностные и смесительные. Поверхностные в свою очередь бывают следующих типов.

Кожухотрубный теплообменник , который ещё имеет название многоходовой. Чтобы повысить коэффицент теплоотдачи движение наружной среды постоянно изменяют, применяя перегородки. Идеально подходят для осуществления теплообменных операций между жидкостями, парами и газами. Чаще всего применяются в пищевой, химической, газовой, нефтяной промышленности и в теплоэнергетике.

Пластинчатый теплообменник . Промышленное теплообменное оборудование такого типа изготавливается из тонколистой стали. Чаще всего их применяют в системе вентиляции зданий, теплопунктах отопления, коммунальной энергетике.

Пластинчато-ребристый теплообменник. Одно из наиболее компактных устройств. Часто используются в отоплении и как аппараты воздушного охлаждения.

Кожухопластинчатый теплообменник - это сварной пакет пластин. Используется в холодильной, нефтяной, химической промышленности, в системах вентиляции и на теплообменных пунктах.

Витой теплообменник . При распространении тепла используется трубное и межтрубное пространство. Применяются для разделения газовых смесей.

Спиральный теплообменник . Нагревают и охлаждают жидкости. С помощью них очищают сточные воды, так же используются во многих видах промышленной индустрии, в том числе и в горнодобывающей.