Сосуд в сосуде теплообменник

Теплообменник, классификация теплообменников

Любой предмет и явление можно рассматривать с разных точек зрения, обозначим как минимум три:

• Как это сделано? Форма, материал.

• Для чего это сделано? Выполняемые задачи и конкретные условия применения теплообменника.

• Как это работает? Теплообменник и физические принципы, заложенные в его функционал

Начнём наглядно с третьего пункта – Как это работает?

В сосуде находится очень горячий напиток чай, который надо охладить. Заметим, что имеется три доступных способа –

Контактные теплообменники

1. Дуть на горячую жидкость – получаем контактный теплообмен. Воздух – газообразная среда непосредственно контактирует с жидкой средой напитка. Налицо теплообмен, но еще не теплообменник. Полноценными контактными теплообменниками являются градирни. Огромные «трубы» в форме необычных бочек, которые можно наблюдать на территории тепловых электростанций, – это гигантские контактные теплообменники. В них распыляется горячая вода, выходящая из конденсатора турбины, охлаждение производится атмосферным воздухом.

Регенеративный теплообменник

2. Можно поместить в чашку несколько охлаждённых ложек – произойдёт регенеративный теплообмен. Довольно необычно, но наглядно. Регенеративный теплообменник – это теплообменный аппарат, поверхность которого нагревающая и нагреваемая среды проходят попеременно.

Еще один яркий бытовой пример – каменка банной печи. Вначале горячие газы из печи нагревают специальные камни, а затем тепло, запасённое в них, регенерируется, когда испаряется вода, которой «поддали» в каменку, причём налицо регенерация с изменением агрегатного состояния (вода превращается в пар) или с фазовым переходом по другой терминологии.

Рекуперативный теплообменник

3. Если чашку с чаем поставить в миску с холодной водой получаем рекуперативный теплообменник охладитель. «Водяная баня», когда одну жидкость нельзя доводить до кипения и её подогревают в мелкой посуде, которая помещена в большую посуду, – явление того же порядка.

Типы теплообменников по движению теплоносителя и сред

Переходя к пункту 2 (Для чего это сделано?), обозначаем среды, проходящие через теплообменник:

• теплообменник вода-вода – кожухотрубные и пластинчатые теплообменники систем ГВС и центрального отопления, охладители масла в двигателе внутреннего сгорания, охладители напитков и многое другое;

• теплообменник пар-вода – различные подогреватели кожухотрубной конструкции (пар в кожухе, а в трубном пучке жидкость). Иногда могут быть и контактными, например деаэратор парового котла – тоже теплообменник, где пар не только дегазирует питательную воду, но и подогревает её. (См. рис.1);

• теплообменник пар-пар – применяется для получения низкопотенциального пара путём нагрева от высокопотенциального, например в стерилизаторах. (См. рис.2);

• теплообменник пар-газ; утилизация тепла выхлопа газовых турбин. (См. рис. 3);

• теплообменник газ-газ; конденсация газообразных сред в жидкую фазу или наоборот испарение (См. рис. 4);

• теплообменник газ-вода используется в теплообменниках-утилизаторах.

Первый пункт – Как это сделано? – требует более развёрнутого описания.

Теплообменники различаются по агрегатному состоянию сред нагревающей и нагреваемой.

Среды, проходящие через теплообменник, тоже имеют свои особенности (вязкость, содержание механических частиц, способность пригорать на стенках, необходимость стерилизации и т.д.).

По организации перемещения теплоносителей в агрегате смотрите рисунок ниже:

Схема движения теплоносителей (сред)

Прямоток – движение двух теплоносителей параллельно друг к другу в одном и том же направлении.

Противоток – движение двух теплоносителей параллельно друг к другу в противоположных направлениях.

Перекрёстный ток – движение двух теплоносителей во взаимно перпендикулярных направлениях.

Смешанный ток – один или более теплоносителей делают несколько ходов в аппарате, омывая при этом часть поверхности по схеме прямотока, а другую часть – согласно схеме противотока или перекрёстного тока.

По динамике агрегатных (фазовых) состояний теплонесущих сред теплообменники разделяются на аппараты:

• без фазовых переходов (подогреватели, охладители);

• со сменой агрегатного состояния одного из теплоносителей (испарители, конденсаторы);

• со сменой состояния обеих теплонесущих сред (агрегаты с повышенной интенсивностью теплообмена, в том числе вымораживатели, ректификаторы и др.).

Поскольку в компетенции нашей компании промывка и очистка всех типов теплообменников, то на этом классификационном признаке остановимся отдельно.

По конструкционным признакам теплообменники подразделяются на: кожухотрубные, пластинчатые, из оребрённых труб, спиральные, элементные (секционные), «труба в трубе» и другие. Рассмотрим основные из них:

Кожухотрубный теплообменник

Кожухотрубный теплообменник свойства и принцип работы

Кожухотрубный теплообменник состоит из трубного пучка, трубной решётки, кожуха-корпуса, крышек и патрубков, подводящих среды. Концы труб крепятся в трубных решётках развальцовкой, сваркой и пайкой. Трубки подгоняются к двум трубным решёткам посредством вальцевания или сварки. Крышки являются съёмными и предназначены для входа и выхода теплоносителя, который течёт по трубам. Межтрубное и трубное пространство разделяются. Второй теплоноситель находится в межтрубном пространстве, которое также имеет входные и выходные патрубки. Нередко по трубам текут вещества с твёрдыми включениями.

Кожухотрубные теплообменники могут иметь как вертикальное, так и горизонтальное исполнение.

Функционально они могут различаться также, как вертикаль отличается от горизонтали, например испаритель чиллера, где фреон испаряющийся в трубках охлаждает оборотную воду, или теплообменник ГВС, где сетевой теплоноситель подогревает расходную горячую воду.

Недостатки и преимущества кожухотрубных теплообменников

Существует мнение, что кожухотрубные теплообменники «выносливее» и надёжнее пластинчатых теплообменников, однако сравнение типов конструкций тема другой статьи. Заметим, что в плане обслуживания (промывки, очистки и текущего ремонта) кожухотрубные аппараты требуют большей квалификации, однако и срок их эксплуатации значительно дольше.

Пластинчатый теплообменник

Теплообменник пластинчатый разборный

Разборный теплообменник принцип работы

Пластинчатые разборные теплообменники обладают интенсивным теплообменом (при своевременной очистке), простотой изготовления, компактностью, малыми гидравлическими сопротивлениями, удобством монтажа. Эти теплообменники состоят из отдельных пластин, разделённых прокладками, двух концевых камер, рамы и стяжных болтов. Пластины штампуют из тонколистовой стали (толщина 0,7 мм). Для увеличения поверхности теплообмена и турбулизации потока теплоносителя проточную часть пластин выполняют гофрированной или ребристой, причём оребрение может быть горизонтальным или “ёлочкой” (шаг гофр 11,5; 22,5; 30 мм; высота 4 – 7 мм). К пластинам приклеивают либо вставляют в пазы прокладки специальной формы для герметизации конструкции; теплоноситель направляют либо вдоль пластины либо через отверстие в следующий канал.

Движение теплоносителей в пластинчатых теплообменниках может осуществляться прямотоком, противотоком и по смешанной схеме. Поверхность теплообмена одного аппарата может изменяться от 1 до 160 м2, число пластин – от 7 до 303. В пластинчатых теплообменниках температура теплоносителя ограничивается 150 °С (с учётом свойств прокладок), давление не должно превышать 10 кгс/см2.

Преимущества и недостатки пластинчатых теплообменников разборных

К достоинствам данного типа аппаратов принято относить интенсивность теплообменного процесса, компактность, а также возможность полного разбора агрегата с целью очистки.

К недостаткам причисляют необходимость тщательной сборки для сохранения герметичности. Кроме того, минусами такой конструкции является склонность к деградации материалов, из которых изготовлены прокладки и сравнительно низкая тепловая стойкость.

Паяный пластинчатый теплообменник (неразборный) применение

Пластинчатые теплообменники могут быть неразборными паяными и востребованы там, где давление и температура выходят за пределы бытовых «гражданских» – осушители газов и технических жидкостей, конденсаторы, охладители и т.д.

Теплообменники из оребрённых труб

Конструкция, назначение и применение ребристых теплообменников

Достаточно открыть капот автомобиля, чтобы увидеть радиатор – теплообменник из оребрённых труб, в наружном блоке кондиционера и внутреннем тоже эти теплообменники делают общее дело, но выполняют разные функции, во внутреннем блоке происходит испарение хладагента, а в наружном – его конденсация, попросту говоря сброс в атмосферу.

Многие устройства генерируют большое количество вторичного тепла, которое нецелесообразно регенерировать, то есть повторно использовано в процессах. Такое тепло выводится в атмосферу. Для этих целей применяют различные типы охладителей. Конструкция охладителей с оребрёнными трубами состоит из ряда труб, внутри которых течёт охлаждаемая жидкость, а наличие рёбер ламелей позволяет добиться большой площади рассеивания тепла.

Ламели и трубки охладителя обдувают вентиляторы. Данный тип охладителей используется в случаях, когда отсутствует возможность забора воды для целей охлаждения: например на месте монтажа химических установок. Ребристые теплообменники применяются в аппаратах воздушного охлаждения. И вот теперь, когда с формой казалось бы всё в порядке, рассмотрим поближе содержание.

Большая часть охладителей, конденсаторов, секций нагрева и охлаждения вентиляционных установок, одним словом теплообменников из оребрённых труб, имеет медные трубки оребрённые алюминиевыми ламелями, однако ни для кого не секрет, что пара «МЕДЬ и АЛЮМИНИЙ» гальванически агрессивна:

Почему этим правилом пренебрегает большинство производителей – ВОПРОС РИТОРИЧЕСКИЙ! Впрочем как и почему автовладельцы, готовые заплатить за надёжный латунный радиатор, который ремонтопригоден, вынуждены покупать одноразовые алюминиевые радиаторы.

Опыт обслуживания таких теплообменников в составе вентиляционного оборудования показывает то, что малейшая капля конденсата в месте стыковки медной трубки и алюминиевой ламели усиливает агрессивность гальваники в разы, если капель было много, то ремонт такого теплообменника – пустая трата сил и расходных материалов.

Спиральный теплообменник принцип работы

В спиральных теплообменниках поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими обечайками, приваренными к разделительной перегородке (керну) и свернутыми в виде спиралей. Жёсткость, прочность, а также для фиксации расстояния между спиралями обеспечивается дистанционными бобышками, которые приварены к листам с обеих сторон. Спиральные каналы прямоугольного сечения ограничиваются торцовыми крышками.

Уплотнение каналов в спиральных теплообменниках осуществляют различными способами. Как правило каждый канал с одной стороны заваривают, а с другой уплотняют плоской прокладкой. При этом смешение сред исключено, а в случае неплотности прокладки наружу может просачиваться только одна из них. Этот способ уплотнения позволяет сравнительно легко чистить каналы. Если материал прокладки разрушается одним из теплоносителей, то один канал заваривают с обеих сторон («глухой» канал), а другой уплотняют плоской прокладкой. При этом «глухой» канал недоступен для механической очистки.

Уплотнение плоской прокладкой обоих открытых (сквозных) каналов применяют лишь в тех случаях, когда смешение рабочих сред (при нарушении герметичности) безопасно и не вызывает порчи теплоносителей. Сквозные каналы также можно уплотнить, при более или менее постоянном давлении в каналах, спиральными U-образными манжетами, прижимаемыми силой внутреннего давления к выступам в крышке.

Элементный (секционный) теплообменник

Секционный теплообменник – принцип работы

Эти теплообменники состоят из последовательно соединённых элементов – секций. Сочетание нескольких элементов с малым числом труб соответствует принципу многоходового кожухотрубного аппарата, работающего на наиболее выгодной схеме – противоточной. Элементные теплообменники эффективны в случае, когда теплоносители движутся с соизмеримыми скоростями без изменения агрегатного состояния.

Применение, преимущества и недостатки секционных теплообменников

Эти теплообменные аппараты применимы при высоком давлении рабочих сред. Отсутствие перегородок снижает гидравлические сопротивления и уменьшает степень загрязнения межтрубного пространства. Однако по сравнению с многоходовыми кожухотрубными теплообменниками элементные теплообменники менее компактны и дороже, поскольку содержат много дополнительных элементов – трубных решёток, фланцевых соединений, компенсаторов и др. Поверхность теплообмена одной секции применяемых элементных теплообменников составляет 0,75-30 м2, число трубок – от 4 до 140.

Простейшим видом секционного теплообменника является конструкция «труба в трубе». Теплообменники этого типа состоят из ряда последовательно соединённых звеньев, каждое звено представляет собой две соосные трубы.

Кожухотрубный теплообменник труба в трубе

В завершении статьи заметим, что правильный подбор теплообменника под конкретные задачи, среды и параметры этих сред обеспечит корректный процесс теплообмена в любой сфере будь то горячее теплоснабжение или осушение технических газов.

Промывка и очистка теплообменников, химическая промывка теплообменников, своевременное обслуживание теплообменников – залог их бесперебойной работы.

Источник