Теплообменные аппараты: виды, устройство, принцип работы

Введение

Теплообменник – техническое устройство, предназначенное для передачи тепла между нагретой средой и холодной. Чаще всего теплообмен осуществляется через элементы конструкции аппарата, хотя встречаются агрегаты, принцип действия которых основан на смешении двух сред.

Области применения теплообменных аппаратов:

Виды теплообменных аппаратов

Теплообменные аппараты подразделяются на несколько групп в зависимости от:

Наиболее наглядно классификация теплообменных аппаратов представлена на следующем изображении (если нужно увеличить картинку, то просто кликните по ней):

Рис. 1. Виды устройств теплообменников в зависимости от принципа работы

По типу взаимодействия сред

Поверхностные

Теплообменные аппараты данного вида подразумевают, что среды (теплоноситель и теплопотребитель) между собой не смешиваются, а теплопередача происходит через контактную поверхность – пластины в пластинчатых теплообменниках или трубки в кожухотрубных.

Смесительные

Кроме поверхностных теплообменников используются агрегаты, в основе эксплуатации которых лежит непосредственный контакт двух веществ.

Наиболее известным вариантом смесительных теплообменников являются градирни:

Рис. 2. Градирни – один из видов смесительных ТО

Градирни используются в промышленности для охлаждения больших объемов жидкости (воды) направленным потоком воздуха.

К смесительным теплообменникам относятся:

По типу передачи тепла

Рекуперативные

В данном виде устройств теплопередача происходит непрерывно через контактную поверхность. Примером такого теплообменного аппарата является пластинчатый разборный теплообменник.

Регенеративные

Отличаются от рекуператоров тем, что движение теплоносителя и теплопотребителя имеют периодический характер. Основная область применения таких установок – охлаждение и нагрев воздушных масс.

Установки с подобным типом действия нужны в многоэтажных офисных зданиях, когда теплый отработанный воздух выходит из здания, но его энергию передают свежему входящему потоку.

Рис. 3. Регенеративный теплообменник

На изображении видно, как в теплообменник поступают 2 потока: горячий (I) и холодный (II). Проходя через коллектор 1, горячая среда нагревает гофрированную ленту, свернутую в спираль. В это время через коллектор 3, проходит холодный поток.

Спустя какое-то время (от нескольких минут до нескольких часов), когда коллектор 1, заберет достаточное количество тепла (точное время зависит от тех. процесса), крыльчатки 2 и 4 поворачиваются.

Таким образом изменяется направление потоков I и II. Теперь холодный поток идет через коллектор 1 и забирает тепло.

По типу конструкции

Вариаций конструкций теплообменных аппаратов очень много. Их выбор и подбор конкретной модели зависит от большого количества условий эксплуатации и технических характеристик:

Подробную классификацию типов конструктивов теплообменных аппаратов можно посмотреть выше на Рис. 1.

По направлению движения сред

Одноходовые теплообменники

В данном виде агрегатов теплоноситель и теплопотребитель пересекают внутренний объем теплообменника однократно по кратчайшему пути. Наглядно это показано в следующем видео:

Подобная схема движения в ТО используется в простых случаях, когда не требуется повышать теплоотдачу от теплоносителя хладогенту. Кроме того, одноходовые теплообменники требуют более редкого обслуживания и промывки, так как на внутренних поверхностях скапливается меньше отложений и загрязнений.

Многоходовые теплообменники

Применяются, когда рабочие среды плохо отдают или принимают тепло, поэтому КПД теплообменного аппарата увеличивают за счет более длительного контакта теплоносителя с пластинами агрегата.

Пример работы двухходового пластинчатого теплообменника представлен в данном видео:

Устройство теплообменника

Как отмечалось выше, конструкции теплообменных аппаратов очень сильно отличаются между собой, поэтому подробно о каждой из них будет рассказано в следующих статьях.

В качестве примера можно рассмотреть пластинчатый разборный теплообменник, как наиболее современный и вытесняющий старые поколения теплообменных аппаратов: кожухотрубные (кожухотрубчатые), «труба в трубе» и другие виды.

Данный вид ТО состоит из двух главных пластин: подвижной и неподвижной прижимных плит. Обе плиты имеют несколько отверстий.

Отверстия, имеющие входящее и выходящее назначение потоков, надежно укрепляют специальной прокладкой и прочными кольцами спереди и сзади соответственно.

Рис. 4. Устройство РПТО

При монтаже к входным и выходным отверстиям через патрубки подключаются элементы трубопровода. Для соединения могут быть использованы трубы различного диаметра и с разным типом резьбы (современные требования предлагают использовать резьбу ГОСТа №12815 и ГОСТа №6357). Оба вида имеют прямую зависимость от устройства и его вида.

Посередине между прижимными плитами размещается множество пластин. Толщина пластин находится в пределах всего 0,5 мм, изготавливаются они, только из нержавеющей стали или титана с помощью метода холодной штамповки.

Все слои пластин перемежаются тонкой специальной уплотнительной резиной, которая устанавливается между всеми слоями пластин. Материал резины обладает заметной повышенной устойчивостью к высоким температурам, благодаря которой рабочие каналы становятся полностью герметичными.

Прямые направляющие снизу и сверху обеспечивают фиксацию пакета пластин, а также являются направляющими при сборке агрегата. Пластины сжимаются до необходимого размера при помощи затяжных гаек.

Внутреннее расположение пластин выбрано не случайно, каждая пластина через одну повернута на 180° относительно, рядом расположенных, соседних пластин. Благодаря данному устройству теплообменного аппарата входящее канальное отверстие имеет двойное уплотнение.

Наглядно устройство пластинчатого теплообменника, его сборку и принцип действия можно посмотреть в данном видео:

Принцип работы теплообменника

Передняя и задняя плита имеют отверстия, которые подключаются к трубопроводу. По ним теплоноситель и теплопотребитель поступают внутрь агрегата.

Рис. 5. Движение сред внутри пакета пластин

Пристенный слой гофрированного типа, в условиях потока, имеющего большую скорость, начинает постепенно набирать турбулентность. Каждая среда перемещается на встречу друг другу с разных сторон пластины, чтобы избежать смешения.

Параллельно расположенные пластины формируют рабочие каналы. Перемещаясь по всем каналам, каждая среда производит тепловой обмен и покидает внутренние пределы оборудования. Это означает, что все пластины являются самым важным элементом среди всех деталей теплообменника.

Потоки внутри пластинчатого теплообменника могут идти по одноходовым и многоходовым схемам в зависимости от технических характеристик и условий решаемой задачи:

Рис. 6. Схемы движения теплоносителей в пластинчатом разборном теплообменнике в зависимости от принципа работы

Заключение

Стоит помнить, что в настоящее время кожухотрубные (кожухотрубчатые) теплообменники активно вытесняются пластинчатыми, поскольку последние более универсальны и просты в обслуживании.

Если вам нужно подобрать теплообменник под свою задачу, то вы можете посмотреть модели, которые поставляет наша компании в соответствующих разделах каталога.

Если же у вас возникают трудности, то свяжитесь с нашими инженерами или заполните форму:

Источник

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:

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.

Пример: Градирни (башни-”трубы” на ТЭС), охлаждающие большие объемы жидкости воздухом атмосферы

Преимущества: За счет простого устройства задействуется больше количества теплоты, чем в поверхностных теплообменниках

Недостатки: Технологический процесс должен разрешать смешения сред.

Источник

Что такое теплообменник в системе отопления

Немногие знают, как поступает горячая вода в дома и каким образом осуществляется центральное отопление. Одним из элементов этой большой сети являются теплообменники, которые работают как от небольших котельных, так и общегородских ТЭЦ.

Разберем подробнее, что такое теплообменник в системе отопления, как работает и особенности его выбора.

Стандартный разборный теплообменник

Что такое теплообменник и пластинчатый в частности

Теплообменник — это аппарат, задача которого передавать тепло от одной среды к другой без их смешивания. Есть два наиболее распространенных типа этого оборудования:

Кожухотрубные. Внутри находится комплект изолированных трубок, которые вставлены в кожух. Через него происходит циркуляция холодной воды, а нагревательным элементом выступают внутренние трубки, через которые проходит горячая жидкость.

Пластинчатые. Принцип работы тот же, но передатчиком тепла является комплект пластин. Они достаточно компактные, однако в эффективности теплообмена не уступают кожухотрубным теплообменникам.

Материал для изготовления пластинчатого теплообменника

Пластинчатые теплообменники могут быть нескольких типов:

Разборные представляют собой большое количество плоских элементов. Они легко разбираются для промывки и ремонта, поэтому многие ТЭЦ и ИТП используют именно этот вариант.

В основе паяных содержится комплект пластин, которые спаяны между собой. Поэтому собрать и разобрать устройство невозможно.

В полусварных теплообменниках пластины свариваются по парам. С внешней стороны устанавливаются уплотнения, а парные элементы привариваются между собой. Такой вариант часто используют в работе с агрессивными средами.

В сварных аппаратах все пластины свариваются между собой без добавления уплотнителей. Одна из жидкостей проходит по гофрированному каналу, а вторая — по трубчатому.

Главными элементами пластинчатого теплообменника являются комплект пластин и уплотнительные прокладки, которые расположены между пластинами. Выбор материалов зависит от среды, которую необходимо нагревать.

Пластины — главный элемент нагревательной системы

Устройство пластин

Внутренние пластины имеют одинаковый состав и устройство. Для теплообменников, используемых в коммунальной энергетике, в большинстве случаев применяется нержавеющая сталь типа AISI316.

Реже встречаются более дорогие металлы, например, титан или латунь. Такие материалы могут работать с агрессивными средами. К примеру, их можно найти в теплообменниках морских судов, где агрессивным элементом является морская вода.

Требования к прокладкам

Материал уплотнительных прокладок — это полимерные соединения, в составе которых преимущественно каучук. При выборе нужно учитывать агрессивность теплоносителей:

EPDM — пресная вода с гликолем;

Нитрил — жидкости с маслянистой средой, например, технические масла;

Витон — жидкости, которые нужно нагревать до температуры выше 100 градусов по Цельсию.

Принцип работы теплообменника

Пластины теплообменника имеют по 4 отверстия, по одному в каждом углу, которые предназначены для входа и выхода греющей и нагреваемой среды:

Одна пара необходима для прохождения первичного теплоносителя с высокой температурой, который подается с ТЭЦ.

Вторая пара — для вторичного теплоносителя, который подается, например, в систему отоплен

ия. Он изначально холодный, поэтому нагревается за счет первичной жидкости.

Для более интенсивного теплообмена, устройство каналов выполнено таким образом, что при прохождении теплоносителя внутри теплообменника создается турбулентное завихрение потока. Так достигается максимальное сопротивление течению, турбулентность потока уменьшает образование накипи на пластинах.

Преимущества паяного пластинчатого теплообменника

Паянный теплообменник имеет несколько основных достоинств наряду с другими типами устройств:

стоимость, в сравнении с разборным, — на 30% меньше;

конструкция выдерживает температуру до 200 градусов по Цельсию;

небольшой размер и масса, так как зажимов и уплотнительных прокладок нет;

подходит для установки в частном доме и подключению к котлу;

спайка проводится с добавлением никеля или меди, которые устойчивы к любым агрессивным средам.

Системы и особенности теплообмена: задача теплообменника

Пластинчатые теплообменники можно использовать в различных системах на промышленных объектах и жилых зданиях.

В многоэтажных домах преимущество отдается разборным аппаратам

В многоквартирном доме

В подключении систем отопления и горячего водоснабжения чаще участвует стандартный разборный аппарат. Причин его установки в многоквартирном доме несколько:

срок эксплуатации — от 25 лет, однако уплотнения необходимо менять каждые 5-10 лет;

устройство легко разбирается и поддается ремонту;

мощность можно регулировать самостоятельно, изменив количество пластин.

Такой вариант теплообменника для отопления подходит и для промышленных зон.

Самостоятельный ремонт теплового оборудования недопустим

В частном доме

В частном доме рекомендовано использовать паяный теплообменник по нескольким причинам:

подходит для агрессивной среды;

срок службы аппарата — 15 лет;

гарантирует высокий КПД, благодаря минимальной потере тепловой энергии и высокому уровню теплоотдачи;

так как в конструкции нет уплотнений, протечки невозможны.

Сборка устройства достаточно проста и не занимает много времени.

Оборудование требует регулярную проверку уплотнителей и чистку от накипи

От чего зависит эффективность теплообменника

Качество работы оборудования зависит от:

объема энергии, необходимого для передачи;

организации ремонтных работ.

От этих параметров зависит общая стоимость оборудования и обслуживания, которые влияют на работу устройства.

Как правильно выбрать теплообменник

При установке аппарата в жилом доме требуется сделать детальный расчет. В него входят несколько характеристик:

площадь отапливаемых помещений или примерный расход горячей воды;

температура первичного теплоносителя;

температура холодной воды.

Расчеты проводятся компанией-поставщиком оборудования, которая на основе результатов предлагает варианты теплообменников, которые подойдут для использования в указанных целях.

Источник

Теплообменники. Теплообменные аппараты. Типы, виды, устройство, расчет теплообменников.

1. Типы теплообменников

Теплообменные аппараты очень распространены. В широком смысле слова к теплообменным относят все аппараты, в которых осуществляется обмен теплотой между греющей и нагреваемой средами.

Теплообменные аппараты бывают трех видов: рекуперативные (поверхностные), регенеративные и смесительные.

Конструкция теплообменника зависит от условий для его применения. Существуют теплообменные аппараты, в которых одновременно с теплообменом протекают и смежные процессы, такие как фазовые превращения, например, конденсация, испарение, смешение. Такие аппараты имеют свои наименования: конденсаторы, испарители, градирни, конденсаторы смешения.

2. Рекуперативные (поверхностные) теплообменники

Рис. 16. Простейший теплообменник типа «труба в трубе»

В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также при взаимно поперечном движении двух взаимодействующих сред.

Рис. 17. Теплообменники для газовой промышленности

Рис. 18. Поверхностный подогреватель воды

Рис. 19. Поверхностный конденсатор для конденсации пара

Рис. 20. Принципиальная схема поверхностного конденсатора для пара

Кожухотрубные теплообменники

Кожухотрубные теплообменники предназначены для нагрева или охлаждения, испарения или конденсации различных жидких и парообразных сред в различных технологических процессах.

Рис. 21. Устройство кожухотрубного теплообменника, его основные элементы и принципиальная схема движения теплоносителей в нем

Обычно кожухотрубные теплообменники используются при давлениях теплоносителя более 2,5 МПа, а при меньших давлениях применять пластинчатые теплообменники намного эффективнее.

Спиральные теплообменники

Спиральный теплообменник был изобретен в двадцатых годах ХХ века шведским инженером Розенбладом для применения в целлюлознобумажной промышленности. Эти теплообменники впервые позволили обеспечить надежную теплопередачу между средами, содержащими твердые включения. В 70-х годах конструкция спиральных теплообменников была радикально изменена и улучшена, и приобрела большие преимущества по сравнению с конструкцией Розенблада.

Два или четыре длинных металлических листа укладывают спиралью вокруг центральной трубы, образуя два или четыре однопроточных канала. Чтобы обеспечить постоянную величину зазоров, к одной стороне листов привариваются разделительные шипы. Центральная труба при помощи специальной перегородки разделена на две камеры, которые образуют входной и выходной коллектора. Скрученные спирали помещаются в цилиндрический кожух. Внешние концы спиральных листов привариваются вдоль образующей обечайки. Для выхода каналов наружу в местах фиксации краев каналов в кожухе просверливаются отверстия, которые герметично закрываются входным и выходным коллекторами с присоединительными патрубками.

Движение потоков в спиральных теплообменниках происходит по криволинейным каналам, близким по форме к концентрическим окружностям. Направление векторов скоростей движения потоков постоянно претерпевают изменение. Геометрия каналов и разделительные шипы создают значительную турбулентность уже при низких скоростях потоков, при этом улучшается теплопередача и уменьшается загрязнение.

Это обеспечивает компактность конструкции спиральных теплообменников, которые могут быть интегрированы с любой технологической линией, что значительно сокращает затраты на установку.

Рис. 22. Спиральные теплообменники

Пластинчатые теплообменники

Рис. 23. Концептуальная схема пластинчатого теплообменника

Рис. 24. Отдельная пластина теплообменника и пластины в нем

В рабочем положении пластины плотно прижаты друг к другу и образуют щелевые каналы. На лицевой стороне каждой пластины (рис. 24-26) в специальные канавки установлена резиновая контурная прокладка, обеспечивающая герметичность каналов. Два из четырех отверстий в пластине обеспечивают подвод и отвод греющей или нагреваемой среды к каналу. Два других отверстия дополнительно изолированы малыми контурами прокладки, предотвращающими смешение (переток) греющей и нагреваемой сред.

Рис. 25. Теплообменные пластины с уплотнительными прокладками

Рис. 26. Основные элементы пластинчатого теплообменника

Количество пластин 1 в теплообменнике (рис. 26), их компоновка, материал, форма и размер зависят от конкретной задачи теплообмена двух сред. В зависимости от области применения пластины теплообменника могут быть изготовлены из хромоникелевых, хромонике- лемолибденовых нержавеющих сталей, титана и других материалов.

По периметру пластины расположены прессованные канавки для уплотнений. Уплотнения 2 предназначены для отделения каналов друг от друга, предотвращения протечек и смешивания сред. Они также определяют направление потока внутри пластинчатого теплообменника. Уплотнения изготавливаются из нитриловой резины (NBR), этиленпропиленовой резины (EPDM), материала Viton. Выбор материала зависит, главным образом, от применяемых сред, а также их рабочих температур и давлений.

Рама состоит из неподвижной плиты 3, прижимающей плиты 4, верхней 6 и нижней 7 направляющих, задней стойки 8. Шпильки 5 стягивают пластины, размещенные между плитами в пакет. Штуцеры 9 предназначены для ввода и вывода теплоносителя.

В пластинчатых теплообменниках смежные пластины формируют каналы, в которых через пакет пластин движутся попеременно горячий и холодный теплоносители.

Пространственное извилистое течение жидкости в каналах способствует турбулизации потоков, а противоток между нагреваемой и греющей средой способствует увеличению температурного напора и, как следствие, интенсификации теплообмена при сравнительно малых гидравлических сопротивлениях. При этом резко уменьшается отложение накипи на поверхности пластин.

Рис. 27. Пластинчатые теплообменники

При аналогичных параметрах пластинчатые теплообменники в 3-6 раз меньше по габаритам и составляют 1/6 от веса кожухотрубных теплообменников. То есть экономятся не только площади под установку, но и снижаются начальные затраты. Кожухотрубные теплообменники обеспечивают гораздо меньшие коэффициенты теплопередачи, чем пластинчатые при аналогичной потере давления. Даже в самых лучших кожухотрубных теплообменниках значительные поверхности труб находятся в мертвых зонах, где малая теплопередача. В отличие от кожухотрубных пластинчатые теплообменники легко разбирать.

При большой разнице в расходе сред, а также при малой разнице в конечных температурах сред существует возможность многократного теплообмена сред путем петлеобразного направления их потоков. В таких теплообменниках патрубки для подвода сред расположены не только на неподвижной плите, но и на прижимной, а вдоль пластин-перегородок среды движутся в одном направлении.

Пластинчатые теплообменники бывают следующих видов: разборные (рис. 28), паяные (рис. 29), сварные (рис. 30), полусварные (рис. 31).

Рис. 28. Разборные пластинчатые теплообменники

Рис. 29. Паяные пластинчатые теплообменники

Рис. 30. Сварной пластинчатый теплообменник

Рис. 31. Полусварные пластинчатые теплообменники

Использование пластинчатого теплообменника позволяет обеспечить дом или квартиру современной энергосберегающей системой приточно-вытяжной вентиляции (рис. 32). Небольшой вентилятор обеспечивает дом свежим, чистым наружным воздухом, одновременно с удалением загрязненного внутреннего воздуха, который содержит меньше кислорода, на улицу. При этом сохраняется часть энергии, затраченной на отопление. В результате достигается экономия энергоресурсов (энергоносителя или электричества). Одновременно с этим воздух очищается от пыли и грязи с помощью специального фильтра. При этом процессе потоки воздуха попадают в специальный алюминиевый теплообменник перекрёстный пластинчатый теплообменник. При этом энергия, аккумулированная в доме (теплота или холод), передается воздуху, который поступает с улицы. Такое теплоутилизирующее оборудование Lifebreath позволяет передавать теплоту, накопленную внутри дома, от удаляемого внутреннего воздуха к свежему наружному воздуху с максимально возможным в настоящее время КПД.

Рис. 32. Энергосберегающая система приточно-вытяжной вентиляции с пластинчатым теплообменником

3. Регенеративные теплообменники

Регенеративным называется теплообменник, в котором одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителями. При соприкосновении с горячим теплоносителем стенка аккумулирует теплоту, а затем отдает ее холодному теплоносителю. Для удовлетворительной работы теплообменника его рабочие стенки должны обладать значительной теплоемкостью.

Режим теплообмена в регенеративных теплообменниках нестационарный. Чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периода нагрева и охлаждения, такой теплообменник должен иметь две параллельно работающие секции.

Примером регенеративного теплообменника являются роторные теплообменники, которые широко применяются в системах приточновытяжной вентиляции. Принцип их работы показан на рис. 33.

Рис. 33. Принцип работы регенеративных роторных теплообменников

Рис. 34. Регенеративные теплообменники

Примером регенеративного теплообменника может служить также регенеративный воздухоподогреватель (рис. 35), в котором в верхней камере непрерывно движущаяся насадка нагревается теплотой топочных газов, а в нижней она охлаждается воздухом, который нагревается до необходимой температуры.

4. Смесительные теплообменники

Рис. 37. Струйный смеситель (слева) и градирни (справа)

Рис. 38. Принципы работы оросительных теплообменников

5. Расчет теплообменных аппаратов

При расчете поверхностных теплообменных аппаратов основным уравнением для расчета является уравнение

(41)

(42)

Ранее предполагалось, что температура греющей и нагреваемой сред не изменяется вдоль поверхности нагрева. Однако, хотя такой случай и встречается на практике (в испарителях), но чаще всего температура теплоносителей по поверхности нагрева изменяется. На рис. 39,а показана схема теплообменника, где теплоносители движутся противоточно навстречу друг другу. На рис. 39,б изображен теплообменник, в котором теплоносители движутся по схеме прямотока (параллельного тока); в этом случае величина t изменяется по поверхности нагрева сильнее, чем в предыдущем случае. Бывают и теплообменники с перекрестным током и с движением теплоносителей по сложным схемам (рис. 39,в).

Источник