3 Общие сведения

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи тепловой энергии от одного теплоносителя к другому. Передача теплоты может осуществляться как при изменении агрегатного состояния теплоносителей, так и без фазовых превращений. В первом случае температура теплоносителя, меняющего агрегатное состояние остается практически постоянной. В остальных случаях, температуры теплоносителей меняют свое значение. В качестве теплоносителей в теплообменных аппаратах применяют текучие и подвижные среды (пары, газы, жидкости) в различном их сочетании. Количество теплоносителей в теплообменном аппарате не ограничено.

Теплообменное оборудование предназначено для уменьшения непроизводительных потерь тепла и сокращения расхода топлива во время производственного процесса, предварительного нагрева воздуха, подаваемого в топки при сжигании топлива, нагрева воды для хозяйственных нужд, а также для охлаждения уходящих дымовых газов и пара и др.

Конструкции теплообменных аппаратов можно разделить на три основных типа: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменных аппаратах передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному осуществляется через разделяющую их стенку.

В регенеративных теплообменных аппаратах теплоотдающая поверхность является промежуточным теплоакуммулятором и поочередно омывается горячим и холодным теплоносителями.

В смесительных теплообменных аппаратах передача теплоты осуществляется за счет смешивания горячего и холодного теплоносителей.

Разновидностью смесительных теплообменных аппаратов является баробатажный теплообменник, в котором через жидкий теплоноситель прокачивается газообразный теплоноситель, таким образом, осуществляется теплообмен без смешивания теплоносителей.

В большинстве рекуперативных аппаратов осуществляется непрерывная передача тепла через стенку от теплоносителя к другому. Эти аппараты, как правило, являются аппаратами непрерывного действия. Рекуперативные аппараты, в которых производится периодический нагрев или охлаждение одного из теплоносителей, относят к аппаратам периодического действия.

Дополнительно рекуперативные теплообменные аппараты подразделяются по направлению движения теплоносителя:

1. Прямоточные – теплоносители движутся параллельно друг другу в одном направлении;

2. Противоточные – теплоносители движутся параллельно друг другу в противоположных направлениях;

3. С перекрестным движением теплоносителей;

4. С комбинированным (сложным) движением теплоносителей.

Регенеративные теплообменники в большинстве случаев являются аппаратами периодического действия; в них разные теплоносители поступают в различные периоды времени. Непрерывная работа осуществляется в таких аппаратах лишь в том случае, если они снабжены движущимися стенками или насадками, попеременно соприкасающимися с потоками разных теплоносителей и непрерывно переносящими тепло из одного потока в другой.

Смесительные теплообменные аппараты могут быть как непрерывного, так и периодического действия.

По констркутивному исполнению рекуперативные (часто и регенеративные) теплообменные аппараты различают на следующие виды:

-пластинчатые (сборные или паяные);

- кожухотрубчатые;

- трубчато-пластинчатые (комбинированные);

- трубчатые спиралевидные;

- змеевиковые;

- ламельные.

Следует отметить, что применяемые в теплообменных аппаратах пластины и трубы могут быть выполнены как гладкими, так и ребристыми (для увеличения теплоотдающей поверхности или дополнительной турбулизации потока с целью увеличения коэффициента теплоотдачи).

Смесительные теплообменники чаще выполнены в виде полостей с развитой насадкой для увеличения поверхности теплообмена и снижения скорости теплоносителей.

Наиболее широкое распространение получили кожухо-трубчатые и пластинчатые сборные теплообменные аппараты. Однако в большинстве случаях предпочтительнее использовать пластинчатые теплообменные аппараты. По сравнению с кожухотрубными коэффициент теплопередачи пластинчатых теплообменников значительно выше (в 3…5 раз) коэффициента кожухотрубных. Масса пластинчатых теплообменников меньше массы кожухотрубных в 3…10 раз в зависимости от их мощности. Подводящие трубы к пластинчатым теплообменникам можно присоединять с одной стороны. В пластинчатых теплообменниках проще производить внутренний осмотр. Также их преимуществом перед кожухотрубными является меньшая подверженность вибрации. Вальцовочные соединения в кожухотрубных теплообменниках теряют плотность даже от незначительных вибраций, что чревато перетеканием одной воды в другую, в зависимости от более высокого давления. Изменение мощности пластинчатого теплообменника происходит путем увеличения или уменьшения поверхности теплообмена, для этого достаточно просто изменить количество пластин в пакете.

Изготавливаются пластины теплообменников из тонколистовой стали. В аппарате может находиться как очень мало пластин (но обычно не меньше 7), так и огромное их количество. Температура носителя в пластине не может быть выше 150 ⁰С, а давление – 10 кгс/см². Количество пропускаемого теплоносителя за час может достигать 1 или 2000 м³. Площадь поверхности теплообмена у одного аппарата бывает разной и зависит от того, какое он будет иметь назначение (5…2100 м²).

В случае применения кожухотрубных теплообменников изменение мощности происходит значительно сложнее. Важным показателем является и то, что для пластинчатых теплообменников теплоизоляция не требуется, также нет необходимости производить их ремонт на протяжении долгого времени эксплуатации. Часто очищать теплообменники пластинчатые от отложений нет необходимости.

В зависимости от особенностей технологического процесса в пластинчатом теплообменном аппарате возможно организовать различные схемы движения теплоносителей (рисунок 1).

Рисунок 1 Схемы движения теплоносителей в пластинчатых теплообменных аппаратах: а) – одноходовой (вход вверху); б) – одноходовой (вход внизу); в) – двухходовой (вход и выход сверху); г) – двухходовой (вход и выход внизу); д) – трехходовой (вход вверху); е) – трехходовой вход внизу; ж) – четырехходовой (выпуск газа отсутствует); з) – четырехходовой (отсутствует слив теплоносителя); и), к) – пятиходовой (отсутствует слив и выпуск газа)

На практике для выбора теплообменного аппарата и его параметров необходимо осуществлять конструктивные расчеты (при проектировании) или же проверочный расчет на соответствие имеющегося теплообменника параметрам и режимам теплообмена.

Сопутствующий гидравлический расчет теплообменного аппарата требуется для определения перепадов давлений теплоносителей и соответственно для определения параметров перекачивающих устройств.

Мировой опыт применения пластинчатых аппаратов для различных целей показывает, что они в этом отношении являются лучшими как по эффективности теплообмена, так и по условиям эксплуатации.