ОБЗОР ТЕПЛООБМЕННОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Теплообменники — это технические устройства, предназначенные для передачи тепла от одной среды к другой.

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:
1) поверхностные теплообменники, в которых передача тепла между средами происходит через разделяющие их поверхности – глухую стенку;

2) теплообменники смешения, в которых тепло передается от одной среды к другой при их непосредственном соприкосновении.

Значительно реже применяются в промышленности регенеративные теплообменники, в которых нагрев жидких сред происходит когда горячий и холодный теплоносители контактируют с одной и той же поверхностью поочерёдно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдаётся при контакте с холодным. Обратите внимание на https://aberon.biz/

На сегодняшний день поверхностные теплообменники являются наиболее распространенным теплообменным оборудованием. Можно выделить следующие конструкции поверхностных теплообменных аппаратов: кожухотрубчатые, типа «труба в трубе», погружные, пластинчатые, спиральные и т.д.

Конструкции и виды поверхностных теплообменников

Кожухотрубные теплообменники

Кожухотрубный теплообменник
Теплообменник трубчатый  состоит из пучка труб, помещенных в цилиндрическом корпусе 1 (кожухе). Корпус кожухотрубчатого теплообменника представляет собой трубу, сваренную из одного или нескольких стальных листов. Толщина стенки кожуха (корпуса) определяется давлением рабочей среды и диаметром кожуха, но применяется на практике не менее 4 мм. К цилиндрическим кромкам кожуха приваривают фланцы. На наружной поверхности кожуха прикрепляют опоры аппарата. Пространство между трубками и боковой поверхностью кожуха называется межтрубным. Трубки завальцованы (закреплены) или приварены к трубным решеткам. К фланцам корпуса крепятся крышка и днище, на них расположены патрубки для подвода и отвода нагреваемой среды НС. На корпусе также имеются патрубки для подвода и отвода охлаждаемой среды ОС (на рисунке охлаждаемой средой является пар).

Трубки обычно имеют диаметр d ≥10 мм и изготовляются из материалов, хорошо проводящих тепло (латунь, медь, сталь углеродистая, сталь нержавеющая). Большим недостатком одноходовых теплообменников является несоответствие между пропускной способностью пучка трубок и площадью теплообмена. Например трубка диаметром 20 мм (при скорости потока 1 м/сек) может пропустить около 1,0 т/ч жидкости; при этом площадь поверхности трубки при обычной длине 3,5 м составляет всего около 0,2 м2. Этой площади будет недостаточно для существенного подогрева такого большого количества жидкости. Этот недостаток можно устранить группировкой труб в отдельные пучки (ходы) и установкой соответствующих перегородок. В этом случае мы достигаем эффекта за счет увеличения пути движения потока в несколько раз. Такой теплообменник называется многоходовым (рис.2а ). Здесь рабочая жидкость проходит через трубное пространство в несколько ходов, протекая последовательно через все пучки труб.

а) по трубному пространству;

б) по межтрубному пространству

При небольшом числе ходов (два-три) перегородки делают по хордам, при большом- радиально или концентрически. Конструктивно удобнее устраивать четное число ходов, обычно не более 16. Если в межтрубном пространстве теплоносителем является жидкость, то для увеличения ее скорости также устраивают перегородки — продольные и поперечные (для пара применяют только одноходовое исполнение). Продольные перегородки делят межтрубное пространство на столько же ходов, сколько имеет трубное. Эти перегородки обеспечивают принцип противотока рабочих тел. Перегородки установлены параллельно трубкам и не достигают противоположной трубной решетки. Большое число перегородок не рекомендуется из-за трудности уплотнения их стыков с трубными решетками.

Поперечные перегородки бывают перекрывающие и неперекрывающие. Перекрывающие перегородки пересекают все межтрубное пространство, оставляя вокруг каждой трубки кольцевую щель шириной около 2 мм. Расстояние между перегородками обычно 100 мм. Рабочее тело протекает через кольцевые щели с большой скоростью. При этом в промежутках между перегородками образуются турбулентные завихрения, что приводит к увеличению коэффициента теплоотдачи. Такие перегородки неприменимы, если жидкости могут выделять осадок, т.к. узкие щели легко им забиваются. Неперекрывающие перегородки выполняют, например, с проходом в виде сектора или сегмента.

Трубчатый теплообменник с U-образными трубками

Теплообменники с U-образными трубами (тип У)
Двухходовый теплообменник часто выполняют с U-образными трубками, открытые концы которых завальцованы в одну и ту же трубную решетку. При запуске в работу теплообменников нужно обращать внимание на направление движения рабочих тел. Горячая (охлаждаемая) жидкость должна опускаться (подача сверху), а холодная (нагреваемая) — подниматься. В этом случае получаем противоток, который обеспечивает лучшую термическую срезку.

Трубчатые теплообменники нашли широкое применение в паровых системах с температурой сред выше 200 градусов и давлением выше 25 атмосфер. Во всех других случаях целесообразно применять пластинчатые теплообменники, так как они будут более дешевыми, занимать меньше места и удобными в эксплуатации.

Теплообменники «труба в трубе»

Теплообменник труба в трубе: назначение, расчет, виды
Теплообменники «труба в трубе» применяют при небольших расходах рабочих жидкостей и высоких давлениях. Их собирают из нескольких последовательно соединенных элементов, образованных двумя концентрически расположенными трубами (рис.4). Каждый элемент состоит из 2-х труб, вставленных одна в другую. Элементы соединены в батарею последовательно, параллельно или комбинировано. При этом трубы соединяются с трубами, а кольцевые пространства с кольцевыми пространствами. Достоинством таких теплообменников является соблюдение противотока, что обеспечивает наиболее полное использование теплоносителя. Они позволяют достигать довольно высоких скоростей жидкости в диапазоне 1-1,5 м/с, что уменьшает возможности отложения загрязнений на поверхности теплообмена и увеличивает значения коэффициентов теплопередачи. Отметим, что эти теплообменники более громоздки, по сравнению с кожухотрубными, и требуют большего расхода металла на единицу поверхности теплообмена.

Теплообменники «труба в трубе» морально устарели и применяются крайне редко.

Конструкции кожухотрубчатых теплообменников

Спиральные теплообменники

Теплообменник спиральный- это аппарат, в котором поверхность нагрева образуется двумя тонкими металлическими листами, приваренными к разделительной перегородке и свернутыми в виде спиралей.

Спиральные теплообменники состоят из двух спиральных каналов прямоугольного сечения, образованных металлическими листами (рис.5), которые служат поверхностями теплообмена. Внутренние концы спиралей соединены перегородкой. С торцов каналы закрыты крышками и уплотнены прокладками. У наружных концов каналов имеются патрубки для входа и выхода теплоносителей, два других патрубка приварены к плоским боковым крышкам.

Спиральный теплообменник используется для теплообмена между жидкостями и газами. Эти теплообменники не забиваются твердыми частицами, взвешенными в теплоносителях, поэтому они применяются для теплообмена между жидкостями со взвешенными частицами, например, для охлаждения бражки на спиртовых заводах.

Принцип работы: греющая среда подается во входной коллектор, расположенный на кожухе, проходит по спиральному каналу и выходит из патрубка, расположенного на сердцевине аппарата. Нагреваемая среда входит в патрубок расположенный на сердцевине аппарата с противоположного торца спирали, проходит по своему спиральному каналу и выходит из выходного коллектора нагреваемой среды.

Спиральные теплообменники компактны по отношению к трубчатым теплообменникам, позволяют проводить процесс теплопередачи при высоких скоростях теплоносителей с высокими коэффициентами теплопередачи. Гидравлическое сопротивление спиральных теплообменников ниже сопротивления многоходовых трубчатых аппаратов при тех же скоростях теплоносителей.

Недостатком спиральных теплообменников является сложность изготовления, ремонта и чистки. Отсюда следует два основных недостатка: спиральные теплообменники очень дорогие по цене и их эксплуатация самая трудоемкая из всего перечня теплообменного оборудования. Серьезную конкуренцию спиральным теплообменникам составляют теплообменники Free Flow.

Пластинчатые теплообменники

Пластинчатые теплообменники монтируются на раме, состоящей из верхней и нижней направляющих, которые соединяют стойку с неподвижной плитой. По направляющим балкам перемещается подвижная плита. Между подвижной и неподвижной плитами располагается пакет стальных штампованных гофрированных пластин, в которых имеются каналы для прохода теплоносителей, стянутый стяжными шпильками. Уплотнение пластин достигается с помощью прокладок, расположенных в специальном пазу пластины. Уплотнения теплообменника могут выдерживать высокие рабочие давления (до 25 бар). Теплоносители к каналам, образованным пластинами, проходят по чередующимся каналам сквозь разделенные прокладками отверстия.

Рис.6. Пластинчатый теплообменник

1- верхняя направляющая; 2- неподвижная плита; 3- пакет теплопередающих пластин; 4- подвижная плита; 5- нижняя направляющая; 6- стяжная шпилька; 7- стойка; 8- коллекторные отверстия

Теплопередача в пластинчатом теплообменнике чаще происходит в противотоке, когда среды движутся в разных направлениях.

Пластинчатые теплообменники (ПТО) используются в качестве нагревателей, охладителей, рекуператоров тепла. ПТО компактны, обладают большой площадью поверхности теплопередачи, что достигается гофрированием пластин. Пластинчатые теплообменники бывают разборные и неразборные.

Высокая эффективность обусловлена высоким отношением площади поверхности теплопередачи к объему теплообменника за счет высоких скоростей теплоносителей, а также турбулизации потоков гофрированными поверхностями пластин и низкого термического сопротивления стенок пластин.

К недостаткам пластинчатых теплообменников относятся сложность изготовления, возможность забивания поверхностей пластин взвешенными в жидкости твердыми частицами. Теплообменники Free Flow, поставляемые компанией «Тепло-Полис», легко справляются с задачей по передаче тепла между вязкими средами и средами, содержащими волокна и включения.

Конструкция пластинчатого теплообменника

Сравнение теплообменных аппаратов

Каждый теплообменный аппарат востребован в своем сегменте и нашел свою нишу в широком ряде производств и технологических процессов. Давайте рассмотрим уникальные особенности каждого и определим самый оптимальный вариант теплообменника.

  • Коэффициент теплопередачи в пластинчатых теплообменниках в 3–4 раза больше, чем в кожухотрубных, благодаря специальному гофрированному профилю проточной части пластины, обеспечивающему высокую степень турбулизации потоков теплоносителей. Соответственно, площадь теплопередающей поверхности теплообменников в 3–4 раза меньше, чем кожухотрубных. Вследствие этого пластинчатые теплообменники имеют малую металлоемкость, дешевле по цене, компактны (их можно установить в небольшом помещении).
  • Высокая ремонтопригодность:
  • В отличие от кожухотрубных пластинчатые теплообменники легко разбираются и быстро чистятся. При этом не требуется демонтаж подводящих трубопроводов (в случае применения одноходового теплообменника);
  • В пластинчатом разборном теплообменнике быстро и легко происходит замена уплотнений или пластин, также есть возможность увеличить поверхность теплообмена, при увеличении тепловой мощности;
  • Пластинчатые теплообменники набираются из отдельных пластин, поверхность нагрева которых, как правило, не превышает 2 м2. Это обстоятельство в сочетании с оптимально выбранным типом пластины позволяет точно, без лишнего запаса, выбрать теплопередающую поверхность теплообменника.
  • Срок эксплуатации первой выходящей из строя единицы уплотнительной прокладки достигает 10 лет. Срок работы теплообменных пластин 15-20 лет. Стоимость замены уплотнений от стоимости ПТО колеблется в пределах 15-25 %, что экономичнее аналогичного процесса замены латунной трубной группы в КТТО, составляющей 80-90% от стоимости аппарата.
  • Стоимость монтажа ПТО ниже на порядок, чем у кожухотрубчатого теплообменника.
  • Теплоноситель с заниженной температурой в системах теплоснабжения позволяет нагревать воду в ПТО до требуемой температуры.
    Индивидуальный расчет каждого ПТО по оригинальной программе Изготовителя — позволяет подобрать его конфигурацию в соответствии с гидравлическим и температурным режимами по обоим контурам. Расчет производится в течении 1-2 часов.
  • Гибкость:в случае необходимости площадь поверхности теплообмена в пластинчатом теплообменнике может быть легко увеличена простым добавлением пластин при необходимости.
  • Двухступенчатая система ГВС, реализованная в одном теплообменнике, позволяет значительно сэкономить на монтаже и уменьшить требуемые площади под индивидуальный тепловой пункт.
  • Пластинчатый теплообменник не требует специальной теплоизоляции, т.к. у него сравнительно малый внутренний объем.
  • Пластинчатые теплообменники устойчивы к вибрации, а трубчатый нет.