Теплообменные аппараты, классификация по типу теплообмена

Теплообменные аппараты. Классификация теплообменных аппаратов по конфигурации потока жидкости или газа, по конструктивным особенностям. Виды рекуперативных теплообменных аппаратов по методу взаимодействия теплообменных сред

Теплообменный аппарат – прибор, используемый для передачи тепловой энергии между двумя и более однофазными или двухфазными средами. Вне зависимости от того, применяются ли теплообменники в ядерных реакторах или в обычных системах отопления, они используют схожие принципы передачи тепла.

Теплообменные аппараты классифицируются по конфигурации потока в теплообменнике и по конструкции самого теплообменного оборудования.

Классификация теплообменных аппаратов по конфигурации потока жидкости или газа

Существуют четыре основных типа:

- противоточные

В противоточном теплообменнике жидкости или газы движутся параллельно друг другу, но в противоположном направлении. В данном типе разница температур на теплообменных участках наиболее высока, поэтому из всех конфигураций теплообменных аппаратов – он самый эффективный, имеющий наилучший коэффициент переносимой тепловой энергии относительно максимального теоретического значения теплоты, которую можно передать;

- использующие попутный поток

В таких теплообменниках потоки движутся параллельно друг другу и в одном направлении. Эффективность теплообмена здесь ниже, чем при потоке в противоположных направлениях, хоть и создается более равномерный нагрев теплообменных поверхностей;

- использующие переток или поперечный поток

Теплообменники поперечного потока занимают промежуточное положение по эффективности между теплообменными аппаратами с противотоком и теплообменниками с сопутствующим потоком. В них потоки движутся под прямым углом друг к другу;

- гибридные системы

В промышленных теплообменниках часто встречается комбинация представленных выше конфигураций, например, крестообразный противоток в сочетании с другими потоками.

Классификация теплообменных аппаратов по конструктивным особенностям

В первую очередь, теплообменники разделяются по способу теплообмена:

- рекуперативные теплообменники

Движущиеся потоки жидкости или газа в рекуперативных теплообменниках изолированы друг от друга, а обмен тепловой энергией осуществляется через стенку - поверхность теплообмена. Существует множество типов рекуперативных теплообменников и их можно разделить на несколько принципиальных групп: непрямого взаимодействия теплообменных сред, прямого и специальные. Теплообменные аппараты рекуперативного типа распространены более широко;

- регенеративный или поверхностный теплообменник

В таких теплообменных аппаратах передача тепловой энергии происходит через поверхность, попеременно омываемой горячей или холодной средой. Вначале твердая поверхность нагревается, когда через нее проходит горячий теплоноситель. Далее по поверхности проходит холодный теплоноситель, который забирает и уносит аккумулированное тепло.

Регенераторы, главным образом, применяются для утилизации тепла на электростанциях, в воздухоподогревателях доменных печей и других энергоемких промышленных объектах. Более всего распространены два вида регенеративных теплообменников – статические и динамические. Все они требуют периодического обслуживания и, если этого не делать вовремя, происходит перекрестное загрязнение горячих и холодных потоков.

Виды рекуперативных теплообменных аппаратов по методу взаимодействия теплообменных сред

Теплообменники косвенного, непрямого взаимодействия теплообменных сред

В них теплообменные среды отделены, обычно, металлической стенкой. К ним относятся трубчатые и пластинчатые теплообменники.

Трубчатые теплообменные аппараты очень популярны и применяются в агрегатах с широким диапазоном давлений рабочей среды и температур. Их можно разделить на несколько категорий, из которых кожухотрубчатый теплообменник более распространен.

Кожухотрубчатый теплообменник состоит их нескольких пучков труб, установленных внутри цилиндрической оболочки. Среды, обменивающиеся теплом, разобщены и циркулируют по трубному и межтрубному пространству. Среды могут находиться в разных состояниях, однофазном или двухфазном, а их движение происходить в параллельном или перекрестном/встречном направлениях.

Популярность кожухотрубчатых теплообменников привела к разработке стандарта их назначения и использование. Производство и применение кожухотрубчатых теплообменников регламентируется по ГОСТ 31842-2012 (ИСО 16812:2007) «Нефтяная и газовая промышленность. Теплообменники кожухотрубчатые. Технические требования».

Как правило, кожухотрубчатые теплообменники изготавливаются из стали, но для специального использования, например, где применяются агрессивные кислоты в производстве фармацевтических препаратов, можно встретить такие материалы, как графит, пластик или стекло.

В пластинчатых теплообменных аппаратах жидкости разделены пластинами. Для увеличения площади теплообмена поверхности пластин могут иметь профилированную структуру, а между собой соединены болтами, сварены или спаяны. Пластины изготавливаются штамповкой из углеродистых, низко и высоколегированных сталей, алюминия, мельхиора и других материалов.

Пластинчатые теплообменники наибольшее применение находят в криогенной и пищевой промышленностях. Кроме этого, из-за наличия большой площади эффективного теплосъема и других полезных качеств, они применяются достаточно широко и в химической промышленности. Пластинчатый теплообменник состоит из плоского корпуса с вмонтированными в него пластинами, имеющих отверстия для циркуляции теплоносителя. Пространство между пластинами герметизируется специальной прокладкой или пластины спаиваются таким образом, чтобы упорядочить теплообменный поток. Пластинчатые теплообменники с использованием прокладок целесообразно применять, если имеется необходимость в периодической чистке поверхностей с обеих сторон, например в пищевой промышленности.

Ребристые теплообменники

Применяются, в основном, когда одна из теплообменных сред имеет коэффициент теплопроводности значительно ниже, чем у второй. С этой целью теплоотдачу увеличивают методом увеличения площади теплосъема. Для этого применяют самые разные конструкции ребер, устанавливаемые на трубу с циркулирующим теплоносителем. Они могут быть выполнены в виде различной формы пластин, навитых в форме спирали профилированной проволоки и так далее.

Теплообменники прямого взаимодействия теплообменных сред

Данная категория теплообменных аппаратов не использует поверхности теплообмена, а теплопередача происходит через непосредственное соприкосновение теплообменных сред, однако, они не должны смешиваться или должны находиться в разных агрегатных состояниях.

Самым узнаваемым примером могут служить башенные охладители (градирни) электростанций. Также их широко применяют в сушилках, где влажное твердое тело высушивается после взаимодействия с горячим воздухом.

Специальные теплообменники

К специальным теплообменникам можно отнести аппараты, работающие по принципу, когда воздух взаимодействует с влажной поверхностью тела и охлаждает его.