Теплообменные аппараты

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

Широкое распространение теплообменных аппаратов обусловило многообразие их конструктивного оформления.

§ 16.1. Основные виды теплообменных аппаратов

По принципу действия теплообменники подразделяют на три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. На рис.16.1 показан пример рекуперативного теплообменника, в котором один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.

Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника.

Рекуперативные теплообменники подразделяются в зависимости от направления движения теплоносителей. Если теплоносители движутся параллельно в одинаковом направлении, теплообменник называют прямоточным (рис.16.2, а), при противоположном направлении движения — противоточным (рис.16.2, б). В теплообменнике с перекрестным током теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом возможен однократный (рис.16.2, в) и многократный (рис. 6.2, г) перекрестный ток. Встречаются и более сложные схемы движения теплоносителей (рис.16.2, д, е).

Конструктивно рекуперативные теплообменники могут выполняться с трубчатыми и пластинчатыми рабочими поверхностями. Пример трубчатого теплообменника показан на рис.16.1. В пластинчатом теплообменнике рабочая поверхность образована набором параллельных плоских пластин. Каналы между пластинами объединены через один общими коллекторами и образуют, таким образом, полости для каждого из теплоносителей. К рекуперативным можно отнести также теплообменники с промежуточным теплоносителем. В теплообменниках с принудительной циркуляцией промежуточного теплоносителя имеется замкнутый контур, через который насосом прокачивается жидкость. Часть этого контура расположена в зоне горячего теплоносителя, часть — в зоне холодного. Эти зоны могут находиться на некотором расстоянии одна от другой.

Другая разновидность теплообменника с промежуточным теплоносителем — теплообменник на тепловых трубах, одна из возможных схем которого показана на рис.16.3. Через перегородку 1, разделяющую холодную и горячую зоны теплообменника, проходит пучок тепловых труб 3, конденсационные участки которых образуют рабочую поверхность холодного теплоносителя, а испарительные участки — рабочую по­верхность горячего теплоносителя. Соотношение этих поверхностей может быть выбрано по усмотрению конструктора. Каждая из по­верхностей может иметь ребра 2 с различными для холодного и горячего тракта параметрами.

Рекуперативные теплообменники, предназначенные для утили­зации теплоты в газотурбинных установках, называют регенера­торами; теплообменники для рассеивания теплоты горячей воды в окружающее пространство (например, в системе охлажденияавтомобильного двигателя) называют ра-диаторами. Назначением определяются также такие названия теплообменников: воздухоподогреватели, маслоохладители, пароперегреватели и т. п.

В регенеративном теплообменнике од­на и та же поверхность поочередно омы­вается то горячим, то холодным тепло­носителем. При соприкосновении с горя­чим теплоносителем стенка аккумулиру­ет теплоту, а затем отдает ее холодному теплоносителю. Для удовлетворительной работы теплообменника его рабочие стен­ки должны обладать значительной тепло­емкостью.

Характерная особенность регенера­тивного теплообменника — нестационар­ный режим теплообмена. Чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периода нагрева и охлаждения, такой теплооб-

менник должен иметь две параллельно работающие секции. Кон­структивно эти секции могут быть реализованы в виде вращаю­щегося теплообменника или теплообменника с двумя камерами, которые поочередно подключаются то к холодному, то к горячему теплоносителю.

Вращающийся теплообменник (рис.16.4) имеет насадку 1, вращающуюся в цилиндрическом корпусе 3, который с помощью уплотнений 2 разделен на две камеры для прохода горячего и холодного теплоносителя. Насадка (металлическая или керамическая) поочередно проходит горячий и холодный тракты и переносит теплоту от горячего теплоносителя к холодному. Вращающийся теплообменник отличается высокой компактностью.

В смесительных теплообменниках процесс теплообмена сопровождается перемешиванием теплоносителей, т.е. они непосредственно соприкасаются друг с другом. Поэтому смесительные теплообменники называются также контактными. Процесс теплообмена в таком аппарате имеет стационарный характер и сопровождается испарением жидкости.

Смесительный теплообменник целесообразно использовать для таких теплоносителей, которые легко разделить после теплообменного аппарата, например, такой парой является вода и воздух. Характерной особенностью смесительного теплообменника является его простота.

Из трех рассмотренных выше видов теплообменников наиболее широкое и разностороннее применение находят рекуперативные теплообменники. Поэтому в остальных параграфах этой главы рассматривается расчет и выбор параметров только для рекуперативных теплообменников без промежуточного теплоносителя.