Теплообменные аппараты. Общие сведения о теплообменных аппаратах

Лекция 11.

В состав энергосилового оборудования систем жизнеобеспече­ния входят аппараты, предназначенные для обеспечения передачи и отвода теплоты от одного объекта к другому. Передача теплоты и этих аппаратах от одной рабочей среды к другой происходит либо через разделительную поверхность, либо при их непосред­ственном контакте.

По функциональному назначению указанные аппараты делятся на теплообменные и тепломассообменные. В теплообменных аппаратах теплота от одной рабочей среды к другой передает­ся без изменения агрегатного состояния рабочих веществ; в тепломассообменных аппаратах процессы передачи теплоты сопровождаются одновременно и массопередачей рабочих веществ и одной или обеих средах.

Теплообменные аппараты того и другого типов являются ос­новными элементами таких систем, как холодоснабжение (испари­тели, конденсаторы, вспомогательные аппараты), отопление (раз­личные отопительные приборы), вентиляции и кондиционирова­ния воздуха (камеры орошения, поверхностные воздухоохладите­ли, калориферы и др.).

Теплообменные аппараты в значительной степени определяют массо-габаритные и энергетические показатели холодильных ма­шин, кондиционеров, систем отопления.

Из всего множества классификационных признаков выделим лишь наиболее существенные.

По принципу работы ТОА делятся на поверхностные, в кото­рых теплообмен происходит через разделяющую поверхность, и кон­тактные, в которых теплообмен происходит при непосредственном контакте рабочих сред, участвующих в процессе.

Поверхностные ТОА делятся, в свою очередь, на рекуператив­ные и регенеративные. В рекуперативных ТОА (рис. 11.1, и) теплообмен между средами 1 и 2 (здесь t₁', t₁'' — температура первой рабочей среды на входе и выходе из ТОА; t'₂, t"₂ — темпера­тура второй рабочей среды) происходит в процессе их протекания по каналам аппарата.

Рекуперативные ТОА наиболее распростра­нены в различных областях техники.

В регенеративных ТОА (рис. 11.1, б) поверхность теплообмена 3 по очереди отмывает­ся то греющим 1, то нагреваемым 2 теплоносителем. Подобные ТОА применяют, главным образом, для подогрева газообразных компонентов горения, а также в криогенной технике. Поверхность теплообмена регенеративного ТОА может быть выполнена пере­ключающейся, как это показано на схеме.

Рис. 11.1. Поверхностные теплообменные аппараты

В контактных ТОА передача теплоты происходит, как указы­валось выше, при их непосредственном контакте.

Контактные ТОА делятся на смесительные и барботажные. В аппаратах смеситель­ного типа (рис. 11.2, а) нагреваемый 2 и греющий 1 теплоносители перемешиваются. В барботажных аппаратах греющий теплоноситель прокачивается через нагреваемый тепло­носитель, не смешиваясь с ним. В барботажном ТОА (рис. 11.2, б) горячий воздух 1 направляется в теплообменные элементы 3, по внутренней цилиндрической поверхности которых закрученным тонким слоем стекает вода 2. Воздух, проходя через слой воды, разрывает ее поток на отдельные пленки и при непосредственном контакте с водой охлаждается. Этот тип ТОА широко применяет­ся в качестве камеры орошения для тепловлажностной обработки воздуха в системах кондиционирования.

Рис. 11.2. Контактные теплообменные аппараты

По роду теплоносителей, циркулирующих в ТОА, различают пары: жидкость-жидкость; пар-жидкость; газ-жидкость; пар-пар; пар-газ; газ-газ.

В зависимости от изменения агрегатного состояния теплоноси­телей ТОА делят на следующие виды: без изменения агрегатного состояния; с изменением агрегатного состояния одного теплоноси­теля; с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей.

В ТОА могут протекать такие процессы теплообмена: нагрев; ох­лаждение; кипение; конденсация; вымораживание; ректификация и т. п.

В зависимости от видов протекающих процессов ТОА делят на подогреватели, охладители, испарители, конденсаторы и т. д.

По конфигурации поверхности теплообмена рекуперативные ТОА делятся на следующие: кожухотрубные с прямыми гладкими трубами (рис. 11.3); кожухотрубные с U-образными трубами (рис. 11.4); кожухотрубные с оребренными трубами; секционные, состоящие из нескольких секций (рис. 11.5), «труба в трубе» (рис. 11.6); змеевиковые (рис. 11.7); спиральные; пластинчатые; пла­стинчато-ребристые; ламельные.

Рис. 11.3. Горизонтальный кожухотрубный конденсатор:

1- кожух; 2- трубная решетка; 3 - крышка; 4 - трубы; 5 - перегородка

Рис. 11.4. Кожухозмеевиковый конденсатор:

1 — кожух; 2 — трубная решетка; 3 — крышка; 4 — U-образные трубы;

5 —днище

Рис. 11.5. Секционный теплообменник:

1 — кожух; 2 — трубный пучок; 3 — секции

Рис. 11.6. Теплообменник типа «труба в трубе:

1-кожух, 2-труба

Рис. 11.7. Змеевиковый теп­лообменник:

1 — кожух; 2 — стакан; 3 — змеевик

Регенеративные ТОА классифицируются по виду и форме насадки.

При низких температурах в криогенных регенеративных ТОА в качестве элементов насадки используется алюминиевая гофрированная лента (рис. 11.8, а). При намотке на диски двух лент обра­зуются каналы, конфигурация которых способствует интенсификации процессов теплообмена при течении по ним теплоносителей. В зависимости от температуры, видов теплоносителей применяют различные виды насадок: огнеупорный кирпич (рис. 11.8, б); коль­ца Рашига (рис. 11.8, в).

Рис. 11.8. Типы насадок регенеративных ТОА

По схемам тока теплоносителей рекуперативные ТОА делятся на три группы;

- с постоянной температурой (t₁ и t₂) обоих теплоно­сителей, равной температуре t_sl и t_s2 (рис. 11.9, а), например конден­саторы-испарители индивидуальных веществ;

- с постоянной темпе­ратурой одного теплоносителя (рис. 11.9, б, в), например конденса­торы и испарители индивидуальных веществ;

- с переменной темпе­ратурой обоих теплоносителей (рис. 11.9, г, д).

Рис. 11.9. Изменение температуры теплоносителей в рекуперативном ТОА:

а- — при фазовых превращениях обоих теплоносителей; 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 зависимости от взаимного направления потоков теплоносителей (рис. 11.10) в наи­более распространенной группе ТОА различают прямоток (а), про­тивоток (б), перекрестный ток (в), смешанный ток (г), а также слож­ные схемы тока.

Рис. 11.10. Схемы потоков теплоносителей

В ТОА, работающих без изменений агрегатного состояния теп­лоносителей, наибольший тепловой поток при прочих равных ус­ловиях достигается в противоточной схеме, а наименьший — в прямоточной. Остальные схемы тока по этому признаку являются промежуточными.

В регенеративных ТОА, 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.