Теплообменные аппараты

Устройства, предназначенные для передачи теплоты от горячих теплоносителей к холодным, называются теплообменными аппаратами или теплообменниками. Теплоносителями в них могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты могут использоваться как нагреватели или как охладители.

Теплообменники широко распространены в современной технике различного назначения (наземной, водно-морской, воздушно-космической). Они являются, например, одним из основных элементов в топливных и масляных системах тепловых двигателей, в холодильных установках и системах кондиционирования. В ряде случаев с помощью теплообменных аппаратов обеспечивается необходимая температура теплоносителей, используемых в качестве охладителей в системах охлаждения теплонагруженных элементов, например, лопаток газовых турбин высокотемпературных ГТД. Часто теплообменники используют для рассеивания с помощью конвекции в окружающую среду теплоты, отводимой от горячего теплоносителя. В этих случаях их принято называть радиаторами. Применяются теплообменные аппараты и в быту.

Излучателями или радиационными холодильниками называются теплообменники, у которых рассеивание теплоты в окружающую среду происходит тепловым излучением.

Основными требованиями, предъявляемыми к теплообменникам, используемым в авиационной и ракетно-космической технике, являются: большая плотность теплового потока в теплообменнике; минимальные масса и габариты; малые затраты энергии на прокачку (перемещение) теплоносителей через теплообменник; высокая надёжность работы; высокая эсплуатационная и ремонтная технологичность; малая стоимость производства. Эти требования частично противоречивы и, как правило, выбор схемы того или иного теплообменного аппарата связан с компромиссом между предъявляемыми к нему требованиями. В конкретных случаях приоритетность каждого из указанных требований различна, что определяет большое многообразие реальных схем и конструкций теплообменников.

 

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

По принципу действия теплообменные аппараты подразделяют на три основных типа: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через поверхность разделяющей их теплопроводной стенки, называемой рабочей поверхностью теплообменника. При работе этих теплообменников направление теплового потока через стенку не изменяется, и процесс теплопередачи является чаще всего стационарным.

Рекуперативные теплообменники классифицируют по ряду признаков.

1. По направлению движения теплоносителей. Теплообменники подразделяют на следующие типы:

а) прямоточные (рис. 14.1, а), когда оба теплоносителя движутся параллельно в одном направлении;

б) противоточные (рис. 14.1, б), когда теплоносители движутся в противоположных направлениях;

Рис. 5.1. Схемы течений в теплообменниках

в) теплообменники с перекрёстным током (рис. 14.1, в и г),

когда теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях; при этом перекрёстный ток может быть однократным и многократным;

г) комбинированные (рис. 14.1, д и е), в которых сочетаются элементы прямотока, противотока и перекрёстного тока.

2. По конфигурации рабочей поверхности. Рабочая поверхность теплообменников может выполняться в виде трубок или пластин (гладких или оребрённых). В соответствии с этим различают трубчатые (рис. 14.2, а), пластинчатые (рис. 14.2, б) и ребристые (рис. 14.2, в) теплообменники.

3. По агрегатному состоянию и роду теплоносителей. Горячими и холодными теплоносителями могут быть самые различные вещества, находящиеся либо в жидком, либо в газообразном состояниях. В соответствии с состоянием теплоносителей теплообменники могут быть: жидкостно-жидкостными (например, топливо-масля-ными), жидкостно-газовыми (например, топливо-воздушными) или газо-газовыми (например, воздухо-воздушными). Агрегатное состояние теплоносителей может изменяться при их прохождении через теплообменный аппарат. К таким теплообменникам относятся: теплообменник-конденсатор, в котором в результате охлаждения происходит переход газообразного (парообразного) теплоносителя частично или полностью в жидкую фазу; испарительный теплообменник, где жидкий теплоноситель, воспринимая теплоту, испаряется, т.е. переходит в газовую фазу.

Рис. 5.2. Схемы теплообменников

В регенеративных теплообменниках одна и та же рабочая поверхность, так называемая насадка, поочерёдно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При соприкосновении с горячим теплоносителем насадка аккумулирует получаемую теплоту, а затем при обтекании холодным теплоносителем отдаёт ему эту теплоту. Насадка должна обладать значительной теплоёмкостью и развитой рабочей поверхностью контактирующей с теплоносителями.

Характерная особенность регенеративного теплообменника - нестационарный режим теплообмена. Направление теплового потока в этом теплообменнике периодически изменяется. Чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно, теплообменник имеет обычно две параллельно работающие секции. Конструктивно эти секции могут быть выполнены или в виде двух камер, которые поочерёдно подключаются то к холодному, то к горячему теплоносителю, или в них размещается вращающийся теплообменник, элементы которого также поочередно взаимодействуют с горячим и холодным теплоносителями. Регенеративный теплообменник с вращающейся насадкой отличается более высокой компактностью, так как в нем отсутствуют переключающие устройства для теплоносителей.

Рис. 5.3. Регенеративный теплообменник

Одна из возможных схем регенеративного теплообменника с вращающейся рабочей поверхностью показана на рис. 14.3. Теплообменник включает в себя ротор (насадку) I, имеющий достаточно большую теплоёмкость и большое количество каналов (или пор), через которые проходят поочерёдно горячий и холодный теплоносители. Ротор вращается в цилиндрическом корпусе II, имеющем два проходных канала Аи Б, которые разделёны перегородкой III. Площади проходных сечений этих каналов могут быть различными в зависимости от параметров теплоносителей. В канале Асквозь насадку проходит горячий теплоноситель и, отдавая ей теплоту, охлаждается. Нагревшаяся часть насадки (ротора) в процессе вращения попадает в канал Б, где отдаёт теплоту проходящему через неё холодному теплоносителю, нагревая его.

В смесительных теплообменниках процесс теплообмена происходит при непосредственном контакте (перемешивании) теплоносителей друг с другом. Поэтому смесительные теплообменники называются также контактными. Если после теплопередачи необходимо разделение теплоносителей, то, очевидно, одним из них должен быть газ, а другим - жидкость, или оба теплоносителя - жидкости, имеющие разную плотность и не растворяющиеся друг в друге. Этот принцип теплообмена используется, например, при охлаждении масла в картере поршневого двигателя, а также в градирнях, где горячая вода охлаждается при её разбрызгивании в окружающем воздухе.

Из рассмотренных выше трёх типов теплообменников в авиационной технике наиболее широкое применение находят рекуперативные теплообменники. Поэтому далее будем рассматривать только процессы, протекающие в теплообменниках данного типа.