Теплофикационное оборудование: теплообменные аппараты. Общие сведения, виды и классификация

Теплообменники обеспечивают передачу теплоты между двумя или большим числом потоков теплоносителей, проходящих через аппарат. Основной характеристикой конструкции теплообменника является тип относительного движения потоков теплоносителей, взаимная геометрия этих течений. Рассмотрим наиболее общие типы конфигураций.

Противоток

В противоточном теплообменнике два теплоносителя движутся параллельно друг другу, но в противоположных направлениях.

Одиночная труба относительно малого диаметра, расположенная коаксиально внутри трубы большего диаметра. Один теплоноситель течет во внутренней трубе, другой – в кольцевом пространстве между трубами.

Противоточные теплообменники наиболее эффективны, поскольку обеспечивают наилучшее использование располагаемой разности температур, в них также может быть достигнуто наибольшее изменение температуры каждого теплоносителя.

Параллельно однонаправленное течение

В теплоносителях этого типа два теплоносителя движутся также параллельно друг другу, но в одном и том же направлении. При значительном изменении температуры теплоносителей располагаемая разность температур в таком теплообменнике используется плохо. Но температура теплопередающей стенки в таких теплообменниках оказывается более однородной, чем в противоточных теплообменниках.

Перекрестный ток

В теплообменнике с перекрестным током два теплоносителя движутся под прямым углом друг к другу.

По своей эффективности они занимают промежуточное положение между теплообменниками с параллельным однонаправленным движением теплоносителей и противоточным теплообменником.

Перекрестный ток с противотоком

Число ходов в таких теплообменниках не ограничено.

Данные теплообменники можно рассматривать как компромиссный вариант между требованием высокой эффективности аппарата и простой конструкции. Чем больше число ходов в таком теплообменнике, тем ближе он по экономичности к противоточному варианту.

Многоходовое течение в межтрубном пространстве и трубах

В пределах одного теплообменника можно осуществить комбинацию некоторых характерных черт, свойственных теплообменникам с однонаправленным движением теплоносителей и противоточным теплообменникам.

Это достигается поворотом труб внутри единого корпуса. Такие повороты можно осуществлять многократно.

Типы поверхностей раздела между теплоносителями

Контакт потоков теплоносителей в теплообменнике может осуществляться по-разному.

Гладкие трубы. Очень часто используются конструкции, в которых один теплоноситель течет внутри прямых или искривленных труб круглого поперечного сечения, а второй омывает их снаружи в продольном, перпендикулярном или наклонном к оси трубы направлении.

Поверхностью раздела в этом случае служит стенка трубы, и контакт теплоносителей осуществляется через нее. Поперечное сечение труб может не быть круглым: часто эти трубы изготавливают волнистыми или придают им форму змеевиков.

Оребренные трубы. В том случае, когда теплоотдача внутри трубы более интенсивная, чем снаружи, прибегают к развитию площади наружной поверхности с помощью ребер. Ребра могут иметь различную форму.

Пленочные теплообменники. В таких теплообменниках происходит прямой контакт между потоком газа, с одной стороны, и пленкой жидкости, текущей по твердой поверхности, - с другой. Например, поглощающая жидкость стекает вниз в виде пленок неправильной конфигурации. Эти пленки обтекают различные насадки. Одновременно смесь газов, один из компонентов которой подлежит удалению путем растворения в жидкости, движется вверх через пустоты насадки. Или, охлаждаемая вода стекает вниз по поверхности насадок, а воздух движется вверх в пространстве между ними, нагревается и в тоже время насыщается водяным паром (градирни электростанций).

Теплообменники с распылением. В данных теплообменниках взаимодействие происходит через капли, образуемые в специальных распылителях и свободно падающие в газообразной среде.

Виды и классификация теплообменных аппаратов

Кожухотрубчатые теплообменники. Большинство теплообменников представляют собой кожухотрубчатые аппараты с внутренними перегородками. Т.е. один из теплоносителей движется внутри прямых или волнистых труб, другой – в межтрубном пространстве, обтекая эти трубы. Весь аппарат заключен в единый кожух, течение теплоносителя организуется с помощью перегородок. Эти же перегородки обеспечивают дистанционирование труб и в какой то мере определяют направление течения жидкости.

Конструкции могут различаться по числу ходов теплоносителя в трубах, изменению направления движения теплоносителя, наличию перегородок в межтрубном пространстве и т.п.

Испарители. Если теплообменник предназначен для перевода одного из теплоносителей из жидкого состояния в парообразное, применяют модифицированный кожухотрубный аппарат.

Варианты исполнения могут различными: корпус может быть вертикальным или горизонтальным, с внешними опускными трубами, предназначенным для рециркуляции жидкости в нижней части корпуса, или без них. В испарителях с генерацией пара в трубах также часто организуется подобная рециркуляция, которая может либо естественной (под действием силы тяжести), либо принудительной (осуществляемой с помощью насоса).

Конденсаторы. Их конструкции весьма многообразны и в большей степени определяются отношением количества конденсирующегося и неконденсирующегося компонентов в потоке охлаждаемой жидкости.

Даже если охлаждаемый поток пара теоретически может быть сконденсирован полностью (например, в паровых конденсаторах электростанций), присосы воздуха могут сделать необходимым отвод части неконденсирующейся фазы. При этом скорости течения должны быть такими, чтобы восходящий поток воздуха не уносил с собой стекающую вниз воду. Это требование обеспечивается устройством соответствующих коридоров между пучками труб. Перегородки в конденсаторе установлены таким образом, чтобы исключить возможность протекания пара по короткому пути от места подачи пара до точки отсоса воздуха.

В конденсаторах электростанций пар обычно конденсируется в межтрубном пространстве, а охлаждающая вода течет по горизонтальным трубам.

Градирни. Охлаждающая вода, пропускаемая через конденсатор электростанции, часто должна быть охлаждена в свою очередь путем контакта с окружающим воздухом. Для этого используются градирни. Их можно классифицировать по признаку наличия или отсутствия непосредственного контакта между воздухом и водой и по способу циркуляции воздуха (естественная или прокачка с помощью механических средств).

Топки. Если сжигание топлива осуществляется внутри теплообменника, а не во внешней камере сгорания, теплообменник можно назвать топкой или подогревателем с огневым нагревом.

Теплообменники этого типа различаются по форме в зависимости от рода сжигаемого топлива, нагреваемому материалу и производительности установки.