Виды теплообменного оборудования



Теплообменники — это технические устройства, в которых происходит обмен энергией (теплом) между средами разной температуры.

К теплообменному оборудованию относятся водонагреватели, испарители, парогенераторы, пастеризаторы, части системы кондиционирования или охлаждения. Конкретные параметры оборудования зависят от его типа.

По способу передачи тепла

По устройству теплообменное оборудование делят на две большие группы: поверхностные и смесительные приборы.

Поверхностные

Имеют раздельные герметичные контуры для течения двух рабочих сред. Среды обмениваются теплом за счет контакта между собой через стенки контура из теплопроводящего материала.

По направлению движения поверхностные теплообменники могут быть:

• Противоточными. Теплоноситель и теплоприемник двигаются в противоположных направлениях.
• Прямоточными. Обе среды перемещаются в одном направлении в параллельном потоке.
• Поперечными (перекрестными). В теплообменнике с поперечным потоком горячая и холодная среды перемещаются под прямым углом друг к другу.

Поверхностные аппараты дополнительно разделяют на рекуперативные и регенеративные.

Рекуперативные

В теплообменниках рекуперативного типа теплоноситель и теплоприемник проходят через прибор, не смешиваясь друг с другом. Течение рабочих сред всегда стабильно и происходит в одном направлении.

Принцип действия можно понять на примере «водяной бани»: не доводя до кипения, теплон

оситель подогревают в мелкой посуде, которую помещают в большую емкость. Примерами рекуперативных теплообменных аппаратов являются испарители, конденсаторы, котлы, нагреватели, охладители.

Регенеративные

В теплообменниках этого типа рабочие среды по очереди действуют на одну и ту же поверхность нагрева. Поверхность поглощает и накапливает тепло от теплоносителя, после чего его подача прекращается. Затем по конструкции проходит среда с более низкой температурой и забирает тепло.

При этом часто теплоноситель и теплоприемник — одно и то же вещество. Среда проходит стадию нагрева, а потом охлаждается, проходя обратно через прибор теплообмена в противоположном направлении. Затем цикл повторяется. Такой механизм устройства дает значительную экономию энергии, потому что большая ее часть используется.

Понять принцип работы такого вида теплообмена можно на примере бочки с водой в теплице: в жаркий день вода в бочке нагревается, а ночью отдает энергию и согревает постройку. Как пример, такие теплообменники являются частью мартеновских или стекловаренных печей.

Смесительные теплообменники

Эти устройства еще называют «контактные». Теплообмен в них происходит за счет непосредственного контакта или смешивания теплоносителя с теплоприемником.

Когда мы дуем на горячий чай, взаимодействуют дв

е среды — жидкая и газообразная. У смесительных теплообменников схожий принцип действия.

Они предназначены для охлаждения и нагрева различных жидких, газообразных или твердых сред, выпаривания и конденсации, плавления и кристаллизации. То есть в контактном оборудовании рабочие среды могут изменять свое агрегатное состояние.

Аппараты этого вида часто применяют в промышленности, энергетических установках. Например, для нагрева или охлаждения воды газами и растворами, для охлаждения или нагрева растворов и дальнейшей кристаллизации растворенного вещества. Их используют в установках для очистки сточных промышленных вод, в коммунальном хозяйстве для нагрева воды продуктами сгорания.

По особенностям конструкции

Пластинчатые



Представляют собой пластины с рифленой поверхностью и каналами для протока жидкости, соединенные в единые конструкции с помощью прижимных плит, термостойких уплотнителей (прокладок) и стяжек. Прокладки находятся между пластинами и образуют уплотнения. Уплотнение предотвращает смешивание и утечку рабочих сред, а также определяет, по каким каналам может протекать каждая из них.

Площадь теплообмена такого прибора равна сумме площади пластин. Можно увеличивать или уменьшать производительность агрегата за счет добавления или удаления внутренних пластин.

Патрубки, по которым теплоноситель и теплоприемник поступают в устройство и выходят из него чаще всего расположены на передней и задней прижимных плитах оборудования.

По способу соединения аппараты пластинчатого типа делят на:

1. Разборные теплообменники. Состоят из отдельных металлических гофрированных пластин, двух камер на концах устройства, рамы и крепежных болтов. Пластины разделены резиновыми прокладками, которые обеспечивают герметичность.
   Теплообменные приборы этого типа просты в установке, можно разобрать для чистки и обслуживания. Благодаря этому их активно используют на заводах и в домах. Но они не подходят для работы с химически агрессивными средами и требуют регулярной смены прокладок.

2. Паяные теплообменники. Состоят из тех же пластин, которые соединены между собой методом пайки с использованием медного или никелевого припоя. Их изготавливают только из высококачественной нержавеющей стали, а процесс пайки происходит в условиях вакуума.
   Паяные устройства имеют более прочную конструкцию, редко требуют ремонта и выдерживают работу с щелочами и кислотами. Благодаря этому их часто применяют в химической промышленности.

3. Сварные теплообменники. Их делают в виде конструкции из сварных модулей, которые соединяют с помощью лазерной сварки в виде пары пластин. Потом их собирают между торцевыми стальными плитами при помощи болтов. Устройство этого типа приборов обеспечивает перемещение рабочей среды в заваренных каналах по пластинам.
   Предназначены для использования в технических процессах с экстремально высокими температурами и давлением, с агрессивными веществами. Работают с высокотемпературным паром, газами, жидкостями и их смесями.
   Материал пластин — нержавеющая сталь, титан, никелевые сплавы. Эти аппараты отличает высокая эффективность и небольшие размеры, им нужно минимальное обслуживание.

4. Полусварные теплообменники. Принцип такой же, как и в сварных, но между каждым сварным модулем проложен специальный уплотнитель из паронита (прокладочный материал, производят под воздействием пресса из смеси асбеста, каучука и порошкообразных наполнителей).
   Область назначения и применения у таких теплообменных аппаратов схожа со сварными — когда в качестве теплоносителя выступает химически агрессивная среда, вещество с очень высокой температурой, давлением.

Благодаря рифленой поверхности контуров пластинчатые теплообменники имеют максимальное прилегание и циркуляцию рабочих сред. Разделяющие среды пластины тоньше по сравнению с другими материалами. Это увеличивает скорость передачи энергии, снижает тепловые потери и обеспечивает высокую эффективность теплообмена.

Такие теплообменные приборы имеют компактные размеры и простоту технического обслуживания. Они могут выполнять самые разные функции, например: нагревательного элемента, охлаждающей части системы, автоматического включателя или выключателя давления. Пластинчатые теплообменники получили наибольшее распространение в пищевой промышленности, горячем водоснабжении и отоплении частных домов.

Трубчатые



В общем виде теплообменники такого вида состоят из серии трубок внутри оболочки или большого сосуда высокого давления.

Самый простой и первый вариант конструкции трубчатого теплообменника — модель «труба в трубе». Принцип работы в том, что по внутреннему контуру проходит теплоноситель, а по внешнему — теплоприемник. Модель применяют благодаря простоте обслуживания и возможности менять диаметр труб, чтобы обеспечить оптимальную скорость движения рабочих сред. Но из-за низкой эффективности теплообмена и больших размеров эти конструкции уступают современным решениям.

Типы теплообменных аппаратов трубчатого вида имеют много подвидов. Самые распространенные из них:

1. Кожухотрубные теплообменники. Представляют собой наборы (пучки) труб, собранные в трубные решетки и помещенные в корпус (кожух). Патрубки и концы труб в трубных решетках скрепляют с помощью пайки или сварки. Один пучок труб содержит рабочую среду, которую нужно охладить или нагреть. Тепло между ними передается через стенки трубы либо со стороны трубы на сторону кожуха, либо наоборот. Пучок труб может состоять из разных видов труб: гладких, ребристых и других.
   Такие системы обычно работают с жидкостями при разном давлении. Текучая среда с более высоким давлением циркулирует по трубам, а жидкость с более низким давлением — через кожух. Эти теплообменники можно объединять между собой в секционные конструкции для увеличения объема жидкостей и скорости теплообмена.

2. Витые теплообменники. Это система закрученных вокруг сердечника труб, их также называют «змеевиковые». Теплообменники получили название из-за формы — трубки наматываются на сердечник кольцами, похожими на свернувшуюся змею. Рабочая среда в них движется по изогнутым трубам и межтрубному пространству.
   Приборы этого вида могут обеспечивать теплообмен между двумя жидкостями, жидкостью и паром, жидкостью и газом, между двумя газами или парами. Витые аппараты — достаточно компактные устройства с высокой эффективностью работы.

3. Спиральные теплообменники. По принципу похожи на витые, разница в том, что трубчатые каналы с теплоносителем и теплоприемником обвивают центральную перегородку устройства и накладываются друг на друга.
   Главное назначение этих приборов — охлаждение и нагревание тягучих, высоковязких жидкостей.

4. Оросительные теплообменники. Представляют собой горизонтальные трубы витых теплообменников, размещенные в вертикальной плоскости рядами параллельных секций. Над каждым рядом располагают желоб, из которого на теплообменные трубки стекает охлаждающая вода. Часть ее испаряется, а оставшаяся вода возвращается насосом.
   Назначение этого вида оборудования — обеспечение работы охладительных и морозильных камер, систем кондиционирования и вентиляции.

Самые используемые теплообменные приборы трубчатого типа — кожухотрубные теплообменники. Их диапазон рабочих сред намного шире, чем у других подвидов: они могут охлаждать молоко, соки, маслянистые жидкости. Также кожухотрубные аппараты имеют высокую производительность и пропускную способность.

Общее преимущество трубчатых теплообменников — устойчивость к низким и высоким температурам, агрессивным средам, к сильному давлению внутри агрегата. В основном их применяют на производстве и как часть бытовой техники: холодильников, кондиционеров.

Виды теплообменников по рабочим средам

Есть классификация теплообменных аппаратов по средам, которые они используют для работы:

• Газ–жидкость — элементы холодильных и морозильных камер, систем кондиционирования, теплообменники-утилизаторы отходящего тепла.

• Пар–жидкость — подогреватели кожухотрубной конструкции, элементы пастеризаторов и консерваторов продуктов, деаэраторы паровых котлов (очистители жидкости от газовых примесей).

• Жидкость–жидкость — кожухотрубные и пластинчатые аппараты систем горячего водоснабжения, охладители.

• Пар–пар — стерилизаторы.

• Пар–газ — использование тепла выхлопных газов турбин.

• Газ–газ — конденсаторы, испарители.

Для работы с разными средами важен материал изготовления теплообменника. При использовании в условиях высокого давления, экстремальных температур, с щелочами и кислотами чаще применяют аппараты из более прочных и стойких веществ: титана, латуни. В пищевом производстве важна возможность разбора системы и ее промывания дезинфицирующими средствами, поэтому в этой сфере применяют нержавеющую сталь.

По сфере применения

Теплообменники используют для любой работы, которая включает процессы охлаждения, нагревания, конденсации, кипения, испарения. Их применяют в энергетике, металлургии, пищевой и химической промышленности, на тепловых пунктах, в системах отопления, вентилирования и кондиционирования.

В пищевой промышленности теплообменные аппараты предназначены для пастеризации продуктов, их охлаждения. Часто в этой сфере используют разборный или паяный виды пластинчатых теплообменников.

В металлургии печи, стаканы-коллекторы, гидравлические системы и другие устройства вырабатывают огромное количество тепла. Поэтому в этой сфере в качестве охладителей применяют пластинчатые аппараты: паяные, сварные.

В судостроении теплообменники применяют для охлаждения главного двигателя и всей центральной системы корабля. Здесь в качестве рабочей среды могут использовать морскую воду или моторные масла разной степени вязкости. На крупных судах теплообменное оборудование предназначено для поддержания работы отопительной системы, для горячего водоснабжения.

Теплообменные аппараты также применяют в коммунальном теплоснабжении. Например, для подогрева воды, действия теплых полов, системы ГВС. В таких приборах используют пластины из антикоррозийной стали толщиной до 5 миллиметров с уплотнителями из каучука.

В нефтегазовой промышленности теплообменники нужны для термического разложения нефти, ее подогрева и охлаждения.