Теплообменные аппараты

Теплообменные аппараты (ТА) – это устройства, предназначенные для нагревания, охлаждения или для изменения агрегатного состояния теплоносителя. В ТА один теплоноситель (теплоотдающий) передает теплоту другому теплоносителю (тепловоспринимающему). Если передача теплоты происходит при изменении агрегатного состояния какого-либо теплоносителя (кипение, конденсация), то его температура в процессе теплопередачи остается постоянной. В остальных случаях температуры теплоносителей в ТА изменяются.

В основу классификации ТА могут быть положены различные признаки. Рассмотрим классификацию по функциональным и конструктивным признакам, а также по схемам тока теплоносителей.

Функциональные признаки

По принципу работы ТА могут быть разделены на две большие группы: поверхностные и контактные.

В поверхностных ТА теплоносители (горячий и холодный) омывают поверхность твердой стенки или тела. Поверхностные ТА разделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных ТА обменивающиеся теплотой теплоносители 1 и 2 протекают одновременно и передача теплоты происходит через разделяющую их стенку 3 (рис. 1.1, a). Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть один из теплоносителей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения.

Рис. 1.1. Типы теплообменных аппаратов

В регенеративных ТА (рис. 1.1, б, в) одна и та же поверхность теплообмена 3 через определенные промежутки времени омывается то горячим 1, то холодным 2 теплоносителями. Сначала поверхность отбирает теплоту от горячей среды и нагревается, затем поверхность отдает теплоту холодной среде. Таким образом, в регенеративных ТА теплообмен всегда происходит в нестационарных тепловых условиях, тогда как рекуперативные ТА большей частью работают в тепловом режиме.

В качестве поверхности теплообмена в регенеративных ТА используется теплоаккумулирующая насадка, элементы которой, например, в виде шаров, решеток, колец, образуют каналы сложной формы для прохождения теплоносителей. Поверхность теплообмена регенеративного ТА может быть выполнена переключающейся (рис. 1.1, б) через определенный промежуток времени или вращающейся (рис. 1.1, в).

В контактных ТА передача теплоты от греющего теплоносителя к нагреваемому происходит при их непосредственном контакте.

Контактные ТА делятся на смесительные и барботажные. В аппаратах смесительного типа (рис. 1.1, г) нагреваемый 2 и греющий 1 теплоносители перемешиваются. В барботажных аппаратах греющий теплоноситель прокачивается через нагреваемый, или наоборот, не смешиваясь с ним. В барботажном ТА (рис. 1.1, д) горячий воздух 1 направляется в теплообменные элементы 4, по внутренней цилиндрической поверхности закрученным тонким слоем стекает вода 2. Воздух, проходя через слой воды, разрывает ее поток на отдельные пленки и при непосредственном контакте с водой охлаждается.

В ТА нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого. Исключение составляют теплообменники с внутренним тепловыделением, в которых теплота выделяется в самом аппарате и идет нагрев теплоносителя. Это разного рода электронагреватели и реакторы.

Если в ТА теплота от горячего теплоносителя рассеивается излучением, то такие ТА называются излучателями или радиационными теплообменниками.

По роду теплоносителей различают ТА: жидкость-жидкость; пар-жидкость; газ-жидкость; пар-пар; пар-газ; газ-газ.

В зависимости от изменения агрегатного состояния теплоносителей ТА делят: без изменения агрегатного состояния; с изменением агрегатного со состояния одного теплоносителя; с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей.

В ТА могут протекать различные процессы теплообмена: нагрев; охлаждение; кипение; конденсация; вымораживание; ректификация и т.д. В зависимости от этих процессов ТА можно называть: подогреватели, охладители, испарители, конденсаторы и т.д.

По характеру движения теплоносителей относительно теплопередающей поверхности ТА делят на два типа: с естественной и с принудительной циркуляцией теплоносителей.

К ТА с естественной циркуляцией относятся испарители, выпарные аппараты, водогрейные котлы, у которых теплоноситель движется благодаря разности плотностей жидкости и образующейся парожидкостной смеси в трубах циркуляционного контура.

К ТА с принудительной циркуляцией относятся, например, рекуперативные теплообменники, в которых теплоносители движутся за счет внешних сил, создаваемых компрессорами, насосами, вентиляторами.

По роду теплового режима ТА могут быть со стационарными и нестационарными процессами теплообмена. Рекуперативные ТА в основном работают в установившемся стационарном режиме, а регенеративные – в нестационарном режиме.

1.2. Конструктивные признаки

По виду (конфигурации) поверхности теплообмена рекуперативные ТА делят: кожухотрубные с прямыми гладкими трубами; кожухотрубные с U-образными трубами; кожухотрубные с оребренными трубами; секционные «труба в трубе»; змеевиковые; спиральные; пластинчатые; пластинчато-ребристые; ламельные.

Регенеративные ТА различают по виду насадки. При низких температурах в криогенных ТА в качестве элементов насадки часто используется алюминиевая гофрированная лента (рис. 1.2, а). При намотке на диски двух лент образуется извилистые каналы, конфигурация которых способствует интенсификации процессов теплообмена. При умеренных и низких температурах устанавливают сетчатую насадку (рис. 1.2, б) из материала с высокой теплопроводностью (медь, латунь).

Рис. 1.2. Типы насадок регенеративных ТА

Для уменьшения гидравлического сопротивления в низкотемпературных регенеративных ТА применяется насадка (рис. 1.2, в), металлические пластины и каналы которой в виде усеченной пирамиды равномерно распределены по всему сечению. В криогенных и металлургических ТА используют насадку в виде шариков или гранул диаметром 6…12 мм (рис. 1.2, г), изготовленных из материала с большой теплоемкостью и обладающих повышенной жаростойкостью (оксиды алюминия, магния, кварцит и т.п.). В высокотемпературных регенеративных ТА насадка часто выполняется решетчатой из огнеупорного кирпича разной формы (рис. 1.2, д). В некоторых аппаратах насадку делают из колец Рашига (рис. 1.2, е).

По способу компенсации температурных удлинений рекуперативные ТА классифицируют: без компенсации (жесткая конструкция); с компенсацией упругим элементом (полужесткая конструкция); с компенсацией в результате свободных удлинений (нежесткая конструкция).

В ТА жесткой конструкции (рис. 1.3, а) теплообменные трубы 3 и кожух 2 соединены жестко с трубными решетками 6.

Рис.1.3. Схемы рекуперативных ТА с различными способами компенсаций температурных удлинений: 1- распределительная камера; 2 – кожух; 3 – теплообменные трубы; 4 – опора; 5 – задняя крышка; 6 – трубная решетка; 7 – компенсатор

Для полужесткой конструкции (рис. 1.3, б) на кожухе 2 предусмотрены специальные компенсаторы температурных деформаций, выполненные в виде гофр. Такие аппараты применяют в тех случаях, когда возникающие температурные напряжения в трубах и кожухе вследствие разности температур не превышают допустимые.

В ТА нежесткой конструкции (рис. 1.3, в, г, д,) трубы и кожух могут свободно перемещаться относительно друг друга благодаря применению U-образных труб (рис. 1.3, в) подвижной (плавающей) трубной решетки 6 (рис. 1.3, г) и подвижной трубной решетки 6 и компенсатора 7 на ней (рис. 1.3, д).

По виду кожуха, ограничивающего теплопередающую поверхность, рекуперативные ТА делят следующим образом: с коробчатым кожухом; кожухотрубные; кожухотрубные с компенсатором на кожухе; не имеющие огранивающего кожуха (оросительные аппараты).

По ориентации теплопередающей поверхности в пространстве ТА могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными.

По принципу монтажа ТА разделяют на автономные, навешенные и встроенные.

По оборудованию и обвязке можно выделить аппараты: не имеющие оборудования и обвязки; покрытые изоляцией; оборудованные контрольно-измерительной аппаратурой и приборами автоматики и т.д.

По числу теплоносителей (потоков) ТА разделяют на двух, трех и многопоточные (рис. 1.4). В отдельных случаях к многопоточным ТА относят системы, состоящие из нескольких теплообменников обычного типа, соединенных циркулирующим промежуточным теплоносителем 3 (рис. 1.4, в). Многопоточные ТА имеют обычно чередующиеся слои компактной теплообменной поверхности (рис. 1.4, г).

ТА с промежуточным теплоносителем используют в газотурбинных установках (ГТУ), так как им легко придать необходимую (по условию компоновки ГТУ) форму.

Рис. 1.4. Схемы ТА в зависимости от числа теплоносителей: а – двухпоточный; б – трехпоточный; в – с промежуточным теплоносителем; г - многопоточный; 1-6 – потоки

Одним из оригинальных устройств, использующих в качестве промежуточного теплоносителя пар и его конденсат, является герметичная труба, заполненная частично жидкостью, а частично паром (рис. 1.5). Такое устройство называется тепловой трубой, способной передавать большие тепловые мощности (в 1000 раз больше, чем медный стержень таких же размеров).

Рис. 1.5. Схема работы тепловой трубы с возвратом конденсата под действием гравитационных сил (термосифон)

В прямоточном теплообменнике теплоносители движутся параллельно друг другу в одном направлении. При значительном изменении температуры теплоносителей располагаемая разность температур в прямоточных ТА используется плохо. В этом случае, если эффективность передачи теплоты является определяющим фактором при проектировании, такого типа ТА не применяют. Однако температура теплопередающей стенки в таких ТА оказывается более однородной, чем при противотоке.

В зависимости от взаимного направления потоков теплоносителей различают схемы (рис. 1.6): прямоток, противоток, перекрестный ток, смешанный ток, а также сложные схемы тока.

Рис. 1.6. Схемы тока теплоносителей:

а – прямоток; б – противоток; в – перекрестный ток;

г – смешанный ток; д – многократный перекрестный ток; e, ж – сложные схемы

Следует подчеркнуть, что перечисленные схемы теплоносителей представляют собой некую идеализацию реальных ситуаций. На практике никогда нельзя достигнуть течения теплоносителя, совпадающего с идеальным вариантом.

В противоточных ТА два теплоносителя движутся параллельно друг другу, но в противоположных направлениях (рис.1.6, б). Противоточные ТА наиболее эффективны: они обеспечивают наилучшее использование располагаемой разности температур; в них также может быть достигнуто наибольшее изменение температуры каждого носителя. Прямоточная схема (рис.1.6, а), как правило, наименее эффективна.

В ТА перекрестного тока два теплоносителя движутся под прямым углом друг к другу (рис.1.6, в). Например, первый поток может течь внутри труб, собранных в пучок, тогда как второй поток может двигаться в пространстве между трубами в направлении, в целом перпендикулярном оси этих труб. По эффективности эти ТА занимают промежуточное положение между ТА с прямотоком и ТА с противотоком. Исходя из практических соображений, связанных с подачей теплоносителей к поверхностям теплообмена, то такие ТА сконструировать проще, чем указанные выше.

Теплообменники со смешанным током (рис.1.6, г) и с многократным перекрестным током (рис.1.6, д) можно рассматривать как компромиссный вариант между требованием высокой эффективности аппарата и простотой конструкции. Чем больше число ходов в таком теплообменнике, тем ближе он по экономичности к противоточному варианту. Также встречаются и более сложные схемы движения теплоносителей (рис.1.6, е. ж).

Схемы однократного и многократного перекрестного тока можно подразделить на три группы в зависимости от наличия градиента температуры теплоносителя в сечениях ТА, нормальных к направлению движения теплоносителя. Если, например, жидкость протекает внутри труб, а газ движется перпендикулярно к трубному пучку и может свободно перемешиваться в межтрубном пространстве, то его температура в сечении, нормальном к направлению движения, выравнивается. Поскольку жидкость проходит внутри труб отдельными не перемешиваемыми между собой потоками, в сечении пучка всегда имеет место градиент температур. В рассмотренном примере газообразный теплоноситель считается идеально перемешанным, а жидкость внутри труб абсолютно не перемешанной. С этой точки зрения возможны следующие три случая: оба теплоносителя идеально перемешаны и градиенты их температур в поперечном сечении равны нулю; один из теплоносителей идеально перемешан, а другой абсолютно не перемешан; оба теплоносителя абсолютно не перемешаны.

Характер изменения температур теплоносителей в рекуперативных ТА зависит от фазовых превращений в теплоносителях и от схемы их тока (рис. 1.7): постоянная температура (t₁ и t₂) обоих теплоносителей, равная температуре t_s1 и t_s2 (рис. 1.7, а), например конденсаторы испарители индивидуальных веществ; постоянная температуры одного теплоносителя (рис. 1.7, б, в), например конденсаторы и испарители индивидуальных веществ; переменная температура обоих теплоносителей (рис. 1.7, г, д).

Рис. 1.7. Изменение температуры теплоносителей в рекуперативном ТА: а – при фазовых превращениях обоих теплоносителей (конденсация одного, испарение другого); б – при испарении нагреваемого теплоносителя; в – при конденсации греющего теплоносителя; г – при прямоточном движении теплоносителей без фазовых превращений; д – при противоточном движении теплоносителей без фазовых превращений

В регенеративных ТА, где греющий и нагреваемый теплоносители проходят через насадку поочередно, реализуются две схемы движения – прямоток и противоток. Эффективность аппарата при противотоке теплоносителей выше, чем при прямотоке.