Теплообмінний апарат. Види теплообмінних апаратів. Класифікація теплообмінних апаратів

Теплообмінний апарат. Види теплообмінних апаратів. Класифікація теплообмінних апаратів

Кожен з нас стикався з найпростішими теплообмінниками. Яскравим тому прикладом служить конструкція "труба в трубі" або щось в цьому роді. Складно було б уявити наше життя, якби не був винайдений теплообмінний апарат. На сьогоднішній день є величезна кількість теплообмінників. Між собою вони відрізняються не тільки технічними характеристиками, але і сферою застосування, дизайном і т. п. Давайте більш докладно поговоримо на дану тему і розберемося з цікавими моментами.

Трохи загальної інформації

Теплообмінний апарат - це пристрій, який використовується для передачі тепла з одного середовища в інше. При цьому потрібно розуміти, що сам по собі теплообмінник, без опалювального обладнання, абсолютно марний, а ось в комплексі можна отримати чудові результати і успішно обігрівати навіть дуже великі і холодні приміщення. Крім того, вчені постійно намагалися максимально скоротити втрати тепла при його передачі в інше середовище. На сьогоднішній день не можна похвалитися 100% ефективністю, але про ККД 90-95% можна говорити сміливо. Експлуатаційні, а також технічні характеристики виробу підвищуються за рахунок використання спеціально підготовлених матеріалів, а також теплоносія. Звичайно, все це дещо збільшує ціну на обладнання, але воно того варте.

При проектуванні інженери постійно стикаються з суперечливими вимогами, які необхідно об 'єднати в один флакон. Наприклад, потрібно знизити гідравлічний опір і при цьому підвищити коефіцієнт теплопередачі. Теплообмінний апарат повинен бути стійким до корозії, але при цьому не надто складним для обслуговування. Все це призвело до того, що з 'явилося багато видів теплообмінників. Залежно від ситуації використовується той, який краще підходить.

Класифікація теплообмінних апаратів

Як було зазначено вище, в даний час є величезна кількість теплообмінників. Перш за все, їх необхідно розділяти за способом передачі тепла до середовища. Тут теплообмінники діляться на наступні групи:

  • рекуперативні;
  • регенеративні;
  • змішувальні;
  • з електричним підігрівом.

Давайте ближче розглянемо рекуперативні теплообмінники. Конструкція виробу передбачає наявність одношарової або багатошарової стінки, через яку передається тепло. Зазвичай це відбувається вже у встановленому русі. Цікаво те, що в такого роду апаратах передача тепла здійснюється при вимушеному русі без зміни фазового стану. Але це стосується тільки постійно діючих теплообмінників. Якщо ж говорити про агрегати з періодичним режимом роботи, то за певний відрізок часу здійснюється нагрів, випаровування, а також охолодження, і все це в послідовному режимі. Такі апарати відносяться до теплообмінників з тепловим рухом. Це обумовлено тим, що температура теплоносія на вході і на виході істотно відрізняється. Нерідко такі агрегати зустрічаються у вигляді зміївиків і бувають пластинчастими, ребристими та інших форм. Трохи пізніше ми розглянемо кілька видів. Але на цьому класифікація теплообмінних апаратів не закінчується.

Регенеративні агрегати та електричний підігрів

У цьому випадку, точно так само як і в попередньому, для передачі теплової енергії використовується поверхня теплообміну. Однак ця поверхня є свого роду насадкою. Вона виконує роль проміжного акумулятивного засобу, який накопичує теплоту. За великим рахунком весь процес можна розділити на кілька стадій. На першому етапі насадка сприймає певну кількість тепла. Потім йде перехід до другої стадії, і теплоносій передається по поверхні насадки. Це трапляється при зміні потоків теплоносіїв. На цьому етапі насадка поступово охолоджується, а накопичене тепло віддається в середовище, яким може бути ваша кімната.

Регенератори належать до нестаціонарних агрегатів. Насадка часто нерухома, а теплові процеси - синхронно повторюються. Пристрої такого типу нерідко називаються скруберрами або градирнями.

Суть теплообмінників з електричним підігрівом полягає в тому, що в якості основного джерела тепла використовується електроенергія. Для перетворення електричної енергії в теплову використовуються електродугові установки. Вони можуть бути як прямого, так і непрямого нагріву. Найбільш поширені теплообмінники в промисловості - індукційні і нагрівачі опору. Як ви бачите, теплообмінне обладнання може бути різним, зараз ми детально розглянемо кожен вид, сферу його застосування і конструкційні особливості.

Спіральні теплообмінники

Апарат являє собою пару спіральних каналів. Зазвичай вони навиваються навколо центральної перегородки. Для цього їх виготовляють з рулонного матеріалу. Варто зазначити, що спіральні теплообмінники добре підходять для нагрівання та охолодження рідин, які мають високий коефіцієнт в 'язкості.

За великим рахунком поверхня нагріву утворюється двома листами з металу, які за допомогою зварного шва приєднуються до керну. Сам агрегат складається всього з 2-х каналів, зазвичай прямокутного перерізу, виконаних у вигляді спіралі. Кінець спіралі (внутрішній) має розділову перегородку і фіксується за допомогою штифтів. Теплообмінники можуть виготовляти як вертикальними, так і горизонтальними. Якщо не вдається встановити один вид через недостатню кількість місця або складну конфігурацію приміщення, використовується другий, більш кращий. Цікаво ще й те, що споживач може вибирати спіральні теплообмінники з різною шириною спіралі, від 20 до 150 сантиметрів. При цьому поверхня нагріву може змінюватися від 3,2 до 100 метрів квадратних з максимальним тиском системи в 1 МПа.

Не можна не відзначити, що дане теплообмінне обладнання має цілу низку істотних переваг. По-перше, це знижений гідравлічний опір. По-друге, компактність і висока ефективність та інтенсивність теплообміну. Але все це сприяло тому, що виникли недоліки у вигляді складної конструкції та ремонту.

Про пластинчасті теплообмінники

Наразі виготовляються розбірні та нерозбірливі пластинчасті теплообмінники. Природно, що перший вид більш кращий через безліч причин. По-перше, це простота обслуговування. Таке обладнання дуже швидко розбирається і збирається, тому будь-яка поломка усувається за невеликий час. Нерозбірні моделі зазвичай не ремонтують, а якщо це і робиться, то куди довше.

Власне, назва говорить про те, що дане обладнання складається з пакету збірних пластин. Вони можуть виготовлятися з різного матеріалу, такого як мідь, титан, графіт тощо. Практично завжди для поліпшення експлуатаційних властивостей пластини виготовляються гофрованими. У пластинчастих теплообмінниках потоки холодного і гарячого теплоносія проходять шарами.

Саме по собі обладнання добре тим, що має грамотну компоновку. Це дозволило збільшити площу теплообмінної поверхні і все це вмістити у відносно невеликі габарити. У будь-якому випадку перед покупкою проводиться розрахунок теплообмінних апаратів, який дозволяє отримати дані про те, якої потужності пристрій необхідно в конкретному випадку. Потрібно розуміти, що всі пластини, які стягнуті в пакет, за рахунок однакової форми утворюють між собою канали. Через них протікає рідина. Ну а зараз ми розглянемо ще кілька цікавих деталей, які стосуються даного обладнання.

Використання ущільнювальних прокладок

Як вже було зазначено вище, основним елементом теплообміну служать пластини. Вони виготовляються холодним штампуванням. Для цього використовуються корозійно стійкі сплави, що дозволяє значно підвищити довговічність і ефективність агрегату. Товщина пластин залежно від моделі може коливатися від 0,4 до 1,0 мм. У робочому положенні пластини щільно притискаються одна до одної. При цьому утворюються невеликі клацання канали. На лицьовому боці є спеціальна канавка, туди встановлюється гумова прокладка (ущільнювач). Крім того, в прокладках є отвори, які необхідні для підведення і відведення рідини. На випадок прориву одного з отворів передбачена система дренажних пазів, що виключає змішування холодних і гарячих середовищ.

За рахунок створення протиотоку між двома середовищами вдалося домогтися не тільки поліпшення температурного набору, але і більш швидкої тепловіддачі при відносно невеликих гідравлічних опорах. Не зайвим буде сказати про те, що основний принцип дії заснований на протиотоку, тобто русі гріючої і нагріваючої рідини в різні боки. Для виключення змішування встановлюється подвійний гумовий ущільнювач або ж металева пластина. Кількість пластин і каналів може відрізнятися залежно від експлуатаційних вимог, що пред 'являються до обладнання. Перед створенням проводиться тепловий розрахунок теплообмінних апаратів, що дозволяє визначити оптимальний режим роботи. Іноді використовуються дорогі сплави, які не бояться тривалої експлуатації в агресивному середовищі.

Пластинчато-ребристі теплообмінники

ПРТ використовуються для передачі тепла в неагресивних і газових середовищах в широкому діапазоні температур, від -270 до + 200 градусів за Цельсієм. При цьому тиск у системі може досягати 100 атмосфер і починатися з вакууму. У конструкції лежить ідея про нанесення ребристої поверхні по обидва боки пластин. Сам виріб складається з декількох ребер, завдяки яким і здійснюється теплопередача між середовищами. Варто зауважити, що саме ребристо-пластинчастий теплообмінний апарат має велику різноманітність форм ребер. Це дозволяє дещо змінювати експлуатаційні та технічні характеристики. Найчастіше можна побачити безперервні і хвилясті ребра. Але крім цих, зустрічаються і більш екзотичні, такі як перфоровані і чешуйчасті. Як матеріал зазвичай використовують тонколистові метали. Їх товщина регулюється в залежності від тиску в системі і використовуваної рідини.

Нерідко такі типи теплообмінних апаратів виготовляють з різними видами руху потоків. Найчастіше використовується протиток, але мають місце і прямоточні, і перехресні схеми. Якщо ж коротко говорити про сильні сторони такого обладнання, то їх дуже багато. По-перше, це експлуатаційні властивості, такі як швидкий та інтенсивний теплообмін. По-друге, це невеликі габарити. Сьогодні багато говорять про те, що саме ребристі теплообмінники є найбільш досконалими. Найбільш часто ПРТ застосовують в таких галузях, як енергетика, нафтопереробна, хімічна та авіаційна галузь промисловості. Все це обумовлено великою кількістю достоїнств, а також широким діапазоном використовуваних рідин і тисків в системі.

Теплообмінник кожухотрубний: конструкція та особливості

Теплообмінне обладнання поверхневого типу, яке ми вже розглянули, є не таким популярним, як кожухотрубні агрегати. Це якраз ті апарати, про які було сказано на самому початку, в найпростішому виконанні - це система "труба в трубі". Теплообмінник такого типу являє собою систему (пучок) трубок, які поміщаються в кожух. Трубки завальцьовують і приварюють до корпусу вироби. У деяких випадках їх додатково обварюють. Це робиться для забезпечення 100% герметичності. Корпус забезпечується додатковими патрубками. Одні потрібні для підведення пара, інші - для відведення конденсату. Крім цього, в корпусі є поперечні решітки, які використовуються для підтримки теплообмінних трубок по всій довжині агрегату. Цікаво те, що кожухотрубчасті теплообмінні апарати використовуються при температурах від 190 градусів за Цельсієм або тисках насиченого пара більше 15 Бар.

Будь-яка система, що передбачає рух рідини, може бути схильна до гідроударів. Це явище здатне частково або повністю вивести обладнання з робочого стану. Щоб цього не сталося, використовують різного роду накопичувальні елементи, так звані розширювальні бачки. Але в нашому випадку цього не потрібно, адже кожухотрубчасті теплообмінники до них досить стійкі. Крім цього, не висувається жорстких вимог до чистоти середовища. Істотний мінус такого обладнання полягає в тому, що всі види теплообмінних апаратів даного типу дуже металомісткі, що впливає на кінцеву вартість і габарити.

Теплообмінники для газового обладнання

Не секрет, що будь-який твердопаливний або газовий котел має у своїй конструкції теплообмінник, вони ще називаються калориферами. Основні види ми вже з вами розглянули. Як ви напевно помітили, ті чи інші типи використовуються в різних галузях промисловості. Якісь апарати знайшли більш широке застосування, інші використовуються в окремих галузях і не підходять під інші. У нашому ж випадку має місце застосування трубчастих і пластинчастих теплообмінників. У першому випадку ми маємо справу з системою трубок, у другому - пластин. В принципі, незалежно від виду, теплообмінник для газової колонки повинен відповідати ряду вимог. По-перше, володіти високим коефіцієнтом теплопередачі, по-друге, бути довговічним і стійким до високих температур. Найбільш популярними матеріалами є мідь, алюміній і сталь. Останній варіант менш кращий, оскільки такий метал має велику вагу, що знижує ККД. При будь-якому розкладі теплообмінник для газової колонки повинен служити не менше 5 років.

Ув 'язнення

Ось ми і розглянули з вами основні типи теплообмінників. Без уваги залишилися такі види, як кожухопластинчасті. В принципі, вони незначно відрізняються від класичних пластинчастих або ребристих. Але нерідко можна знайти печі для лазні з теплообмінником, що має кожух. Однак ключовою особливістю є те, що обладнання стійке до високих температур і робочих тисків. Корпус при цьому може бути виготовлений з таких матеріалів, як титан, нержавіюча або вуглецева сталь. Цікаво те, що печі для лазні з теплообмінником кожухопластинчастим добре регулюються по пару або ж конденсату, що, безперечно, є вагомою гідністю. В принципі, на цьому можна завершувати розповідь, так як тепер ви знаєте про теплообмінників все, що потрібно.