8. Теплообменные аппараты

8.1. Основные понятия и определения

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому. Передача тепла от одного теплоносителя к другому возникает во многих отраслях техники: в энергетике, в химической, металлургической, нефтяной, пищевой и других отраслях промышленности. В котельной установке тепло, выделившееся при горении топлива, передается воде и пару. Котельный агрегат, таким образом, можно рассматривать как совокупность теплообменных аппаратов. В обычной отопительной батарее тепло передается от горячей воды к воздуху, находящемуся в комнате. Тем самым такие батареи являются теплообменными аппаратами. В газотурбинных установках осуществляют про-цесс регенерации тепла, путем его передачи в теплообменнике от отработанных продуктов сгорания к сжатому воздуху. В теплообменных аппаратах протекающие тепловые процессы могут быть самыми разнообразными: нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, плавление, затвердевание и более сложные процессы, являющиеся комбинацией перечисленных. В тепло-обменных аппаратах могут участвовать в процессе теплообмена несколько теплоносителей: теплота от одного из них может передаваться нескольким и от нескольких к одному. Широкое распространение теплообменных аппаратов обусловило многообразие их конструкций.

8.2. Основные виды теплообменных аппаратов

По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными теплообменными аппаратами являются устройства, в которых две жидкости с разными температурами протекают в пространстве, разделенном твердой стенкой. При теплообмене между теплоносителями в аппаратах такого типа плотность теплового потока в каждой точке поверхности разделительной стенки сохраняет постоянное направление. Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменного аппарата. Рекуперативные теплообменные аппараты подразде-ляются в зависимости от направления движения теплоносителей. Если тепло-носители движутся в одинаковом направлении, то такие теплообменные аппа-раты называют прямоточными. При взаимно противоположных направлениях движения теплоносителей теплообменные аппараты называют противоточны-ми. В теплообменных аппаратах с перекрестным током теплоносители движут-ся во взаимно перпендикулярных направлениях. При этом возможен однок-ратный и многократный перекрестный ток. Возможны и более сложные схемы движения теплоносителей.

Конструктивно рекуперативные теплообменные аппараты, как правило, выполняются с трубчатыми и пластинчатыми рабочими поверхностями. В трубчатых теплообменниках пучки труб, скрепленные с помощью трубных решеток, ограниченны кожухами и крышками с патрубками. Полость внутри трубок, над трубными решетками, ограниченная крышками, заполнена одним теплоносителем. Межтрубное пространство, ограниченное кожухом и трубны-ми решетками, заполнено вторым теплоносителем. В пластинчатом теплообменнике рабочая поверхность образована набором плоских парал-лельных пластин. Между пластинами каналы объединены через один общими коллекторами и образуют, таким образом, полости для горячего и холодного теплоносителей.

Регенеративными теплообменными аппаратами являются устройства, в которых одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При теплообмене между теплоносителями в аппара-тах такого типа плотность теплового потока в каждой точке поверхности периодически меняет направление. При соприкосновении с горячим теплоно-сителем в период нагрева стенка аккумулирует тепловую энергию, а затем в период охлаждения отдает ее холодному теплоносителю. Поэтому рабочие стенки такого теплообменника должны обладать хорошей теплоемкостью. Особенностью регенеративных теплообменных аппаратов является нестацио-нарный режим теплообмена. Поэтому такой теплообменник, чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периодов нагрева и охлаждения, должен иметь две параллельно работающие секции. Внутренняя полость регенеративного теплообменного аппарата запол-няется насадкой, которая выполняется из керамического кирпича, металла и других материалов. В практике нашли применение регенеративные теплооб-менные аппараты с вращающейся насадкой. Известны две конструктивные схемы такого теплообменника. Первая из них представляет аппарат с дисковым ротором и осевым движением теплоносителей, а вторая – теплообменник с барабанным ротором и радиальным движением теплоносителей. Объем тепло-обменника с помощью стенок и уплотняющих устройств разделен на две полости. Через одну из полостей протекает горячий теплоноситель, а через другую – холодный. Во время работы теплообменника ротор его вращается с угловой скоростью 615 об/мин. Поэтому нагретые элементы насадки непре-рывно переходят из полости горячего в полость холодного газа, а охладившееся элементы – наоборот. Эти теплообменники обладают высокой компактностью, т.е. большим отношением поверхности теплообмена к объему теплообменника. Однако при неодинаковых давлениях теплоносителей перетекание газа из одной полости в другую в местах уплотнения снижает их эффективность.

Смесительными теплообменными аппаратами являются устройства, в которых горячий и холодный теплоносители непосредственно соприкасаются друг с другом. Такие смесительные теплообменники называют контактными. Для смесительных теплообменных аппаратов целесообразно использовать такие теплоносители, которые легко разделить на выходе из теплообменного аппарата, например, вода и воздух. Эффективность смесительных теплообмен-ных аппаратов зависит от поверхности соприкосновения теплоносителей, которая определяется степенью дробления жидкости. Для увеличения поверхности теплообмена на пути движения теплоносителей размещают насадку, которая представляет собой слой «кускового» материала, например, куски керамики, кокса или деревянные решетки. Смесительные теплообменные аппараты нашли широкое применение в промышленности. К ним относятся, например, кондиционеры для термовлажностной обработки воздуха в установках кондиционирования. Для очистки воздуха или газов от золы, пыли, смолы и прочих примесей посредством промывки их водой применяют скрубберы. На электрических станциях большие количества циркуляционной воды от конденсаторов паровых турбин охлаждают за счет тепломассообмена ее с воздухом в градирнях.

Из трех рассмотренных выше видов теплообменных аппаратов наиболее широкое и разностороннее применение находят рекуперативные теплообменные аппараты.