Классификация теплообменных аппаратов

Теплообменные аппараты (ТА) – это устройства, предназначенные для нагревания, охлаждения или для изменения агрегатного состояния теплоно- сителя. В ТА один теплоноситель (теплоотдающий) передает теплоту друго- му теплоносителю (тепловоспринимающему). Если передача теплоты проис- ходит при изменении агрегатного состояния какого-либо теплоносителя (ки- пение, конденсация), то его температура в процессе теплопередачи остается постоянной. В остальных случаях температуры теплоносителей в ТА изме- няются.

В основу классификации ТА могут быть положены различные призна- ки. Рассмотрим классификацию по функциональным и конструктивным при- знакам, а также по схемам тока теплоносителей.

Функциональные признаки

По принципу работы ТА могут быть разделены на две большие груп- пы: поверхностные и контактные.

В поверхностных ТА теплоносители (горячий и холодный) омывают поверхность твердой стенки или тела. Поверхностные ТА разделяются на ре-

1 Данный раздел составлен главным образом на материале работы [1]

куперативные и регенеративные. В рекуперативных ТА обменивающиеся теплотой теплоносители 1 и 2 протекают одновременно и передача теплоты происходит через разделяющую их стенку 3 (рис. 1.1, a). Теплообмен проис- ходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть один из теп- лоносителей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения.

Рис. 1.1. Типы теплообменных аппаратов

В регенеративных ТА (см. рис. 1.1, б, в) одна и та же поверхность теп- лообмена 3 через определенные промежутки времени омывается то горячим 1, то холодным 2 теплоносителями. Сначала поверхность отбирает теплоту от горячей среды и нагревается, затем поверхность отдает теплоту холодной среде. Таким образом, в регенеративных ТА теплообмен всегда происходит в нестационарных тепловых условиях, тогда как рекуперативные ТА большей частью работают в стационарном тепловом режиме.

В качестве поверхности теплообмена в регенеративных ТА использует- ся теплоаккумулирующая насадка, элементы которой (например, в виде ша-

ров, решеток, колец) образуют каналы сложной формы для прохождения те- плоносителей. Поверхность теплообмена регенеративного ТА может быть выполнена переключающейся (см. рис. 1.1, б) через определенный промежу- ток времени или вращающейся (см. рис. 1.1, в).

В контактных ТА передача теплоты от греющего теплоносителя к на- греваемому происходит при их непосредственном контакте.

Контактные ТА делятся на смесительные и барботажные. В аппаратах смесительного типа (см.рис. 1.1, г) нагреваемый 2 и греющий 1 теплоносите- ли перемешиваются. В барботажных аппаратах греющий теплоноситель про- качивается через нагреваемый, или наоборот, не смешиваясь с ним. В барбо- тажном ТА (см.рис. 1.1, д) горячий воздух 1 направляется в теплообменные элементы 4, по внутренней цилиндрической поверхности закрученным тон- ким слоем стекает вода 2. Воздух, проходя через слой воды, разрывает ее по- ток на отдельные пленки и при непосредственном контакте с водой охлажда- ется.

В ТА нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого. Исключение составляют теплообменники с внутренним тепловыде- лением, в которых теплота выделяется в самом аппарате и идет нагрев теп- лоносителя. Это разного рода электронагреватели и реакторы.

Если в ТА теплота от горячего теплоносителя рассеивается излучени- ем, то они называются излучателями или радиационными теплооб- менниками.

По роду теплоносителей различают ТА: жидкость – жидкость; пар –

жидкость; газ – жидкость; пар – пар; пар – газ; газ – газ.

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

В ТА могут протекать различные процессы теплообмена: нагрев; охла- ждение; кипение; конденсация; вымораживание; ректификация и т.д. В зави-

симости от этих процессов ТА называют: подогреватели, охладители, испа- рители, конденсаторы и т.д.

По характеру движения теплоносителей относительно теплопере- дающей поверхности ТА делят на два типа: с естественной и с принудитель- ной циркуляцией теплоносителей.

К ТА с естественной циркуляцией относятся испарители, выпарные аппараты, водогрейные котлы, у которых теплоноситель движется благодаря разности плотностей жидкости и образующейся парожидкостной смеси в трубах циркуляционного контура.

К ТА с принудительной циркуляцией относятся, например, рекупера- тивные теплообменники, в которых теплоносители движутся за счет внешних сил, создаваемых компрессорами, насосами, вентиляторами.

По роду теплового режима ТА могут быть со стационарными и неста- ционарными процессами теплообмена. Рекуперативные ТА в основном рабо- тают в установившемся стационарном режиме, а регенеративные – в неста- ционарном режиме.

1.2. Конструктивные признаки

По виду (конфигурации) поверхности теплообмена рекуперативные ТА делят на: кожухотрубные с прямыми гладкими трубами; кожухотрубные с U- образными трубами; кожухотрубные с оребренными трубами; секционные

«труба в трубе»; змеевиковые; спиральные; пластинчатые; пластинчато- ребристые; ламельные.

Регенеративные ТА различают по виду насадки. При низких темпера- турах в криогенных ТА в качестве элементов насадки часто используется алюминиевая гофрированная лента (см. рис. 1.2, а). При намотке на диски двух лент образуются извилистые каналы, конфигурация которых способст- вует интенсификации процессов теплообмена. При умеренных и низких тем- пературах устанавливают сетчатую насадку (см.рис. 1.2, б) из материала с высокой теплопроводностью (медь, латунь).

Рис. 1.2. Типы насадок регенеративных ТА

Для уменьшения гидравлического сопротивления в низкотемператур- ных регенеративных ТА применяется насадка (см. рис. 1.2, в), металлические пластины и каналы которой в виде усеченной пирамиды равномерно распре- делены по всему сечению. В криогенных и металлургических ТА используют насадку в виде шариков или гранул диаметром 6…12 мм (см. рис. 1.2, г), из- готовленных из материала с большой теплоемкостью и обладающих повы- шенной жаростойкостью (оксиды алюминия, магния, кварцит и т.п.). В высо- котемпературных регенеративных ТА насадка часто выполняется решетчатой из огнеупорного кирпича разной формы (см. рис. 1.2, д). В некоторых аппа- ратах насадку делают из колец Рашига (см. рис. 1.2, е).

По способу компенсации температурных удлинений рекуперативные ТА классифицируют: без компенсации (жесткая конструкция); с компенсаци- ей упругим элементом (полужесткая конструкция); с компенсацией в резуль- тате свободных удлинений (нежесткая конструкция).

В ТА жесткой конструкции (см.рис. 1.3, а) теплообменные трубы 3 и кожух 2 соединены жестко с трубными решетками 6.

Рис.1.3. Схемы рекуперативных ТА с различными способами компен- саций температурных удлинений: 1- распределительная камера; 2 – кожух; 3

– теплообменные трубы; 4 – опора; 5 – задняя крышка; 6 – трубная решетка;

7 – компенсатор

Для полужесткой конструкции (см. рис. 1.3, б) на кожухе 2 предусмот- рены специальные компенсаторы температурных деформаций, выполненные в виде гофр. Такие аппараты применяют в тех случаях, когда возникающие температурные напряжения в трубах и кожухе вследствие разности темпера- тур не превышают допустимые.

В ТА нежесткой конструкции (см. рис. 1.3, в, г, д) трубы и кожух могут свободно перемещаться относительно друг друга благодаря применению U- образных труб (см. рис. 1.3, в) подвижной (плавающей) трубной решетки 6 (см. рис. 1.3, г) и подвижной трубной решетки 6 и компенсатора 7 на ней (см. рис. 1.3, д).

По виду кожуха, ограничивающего теплопередающую поверхность, рекуперативные ТА делят на: с коробчатым кожухом; кожухотрубные; кожу- хотрубные с компенсатором на кожухе; не имеющие огранивающего кожуха (оросительные аппараты).

По ориентации теплопередающей поверхности в пространстве ТА мо- гут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными.

По принципу монтажа ТА разделяют на автономные, навешенные и встроенные.

По оборудованию и обвязке можно выделить аппараты: не имеющие оборудования и обвязки; покрытые изоляцией; оборудованные контрольно- измерительной аппаратурой и приборами автоматики и т.д.

По числу теплоносителей (потоков) (рис. 1.4) ТА разделяют на двух (см. рис. 1.4, а), трех (см. рис. 1.4, б) и многопоточные (см. рис. 1.4, г). В от- дельных случаях к многопоточным ТА относят системы, состоящие из не- скольких теплообменников обычного типа, соединенных циркулирующим промежуточным теплоносителем 3 (см. рис. 1.4, в). Многопоточные ТА име- ют обычно чередующиеся слои компактной теплообменной поверхности (см. рис. 1.4, г).ТА с промежуточным теплоносителем используют в газотур- бинных установках (ГТУ), так как им легко придать необходимую (по усло- вию компоновки ГТУ) форму.

Рис. 1.4. Схемы ТА в зависимости от числа теплоносителей: а – двухпоточ- ный; б – трехпоточный; в – с промежуточным теплоносителем; г - многопо- точный; 1-6 – потоки

Одним из оригинальных устройств, использующих в качестве проме- жуточного теплоносителя пар и его конденсат, является герметичная труба, заполненная частично жидкостью, а частично паром (рис. 1.5). Такое устрой- ство называется тепловой трубой, способной передавать большие тепло- вые мощности (в 1000 раз больше, чем медный стержень таких же размеров).

Рис. 1.5. Схема работы тепловой трубы с возвратом конденсата под действием гравитационных сил (термосифон)

В прямоточном теплообменнике теплоносители движутся параллельно друг другу в одном направлении. При значительном изменении температуры теплоносителей располагаемая разность температур в прямоточных ТА ис- пользуется плохо. В этом случае, если эффективность передачи теплоты яв- ляется определяющим фактором при проектировании, такого типа ТА не применяют. Однако температура теплопередающей стенки в таких ТА ока- зывается более однородной, чем при противотоке.

В зависимости от взаимного направления потоков теплоносителей раз-

личают схемы (рис. 1.6): прямоток, противоток, перекрестный ток, смешанный ток, а также сложные схемы тока.

Рис. 1.6. Схемы тока теплоносителей:

а – прямоток; б – противоток; в – перекрестный ток;

г – смешанный ток; д – многократный перекрестный ток; e, ж – слож-

ные схемы

Следует подчеркнуть, что перечисленные схемы теплоносителей пред- ставляют собой некую идеализацию реальных ситуаций. На практике нико- гда нельзя достигнуть течения теплоносителя, совпадающего с идеальным вариантом.

В противоточных ТА два теплоносителя движутся параллельно друг другу, но в противоположных направлениях (см. рис. 1.6, б). Противоточные ТА наиболее эффективны: они обеспечивают наилучшее использование рас- полагаемой разности температур; в них также может быть достигнуто наи- большее изменение температуры каждого носителя. Прямоточная схема (см. рис.1.6, а), как правило, наименее эффективна.

В ТА перекрестного тока два теплоносителя движутся под прямым уг- лом друг к другу (см. рис. 1.6, в). Например, первый поток может течь внутри труб, собранных в пучок, тогда как второй поток может двигаться в про- странстве между трубами в направлении, в целом перпендикулярном оси этих труб. По эффективности эти ТА занимают промежуточное положение между ТА с прямотоком и ТА с противотоком. Исходя из практических со- ображений, связанных с подачей теплоносителей к поверхностям теплообме-

на, то такие ТА сконструировать проще, чем указанные выше.

Теплообменники со смешанным током (см. рис. 1.6, г) и с многократ- ным перекрестным током (см. рис. 1.6, д) можно рассматривать как компро- миссный вариант между требованием высокой эффективности аппарата и простотой конструкции. Чем больше число ходов в таком теплообменнике, тем ближе он по экономичности к противоточному варианту. Также встре- чаются и более сложные схемы движения теплоносителей (см. рис. 1.6, е, ж). Схемы однократного и многократного перекрестного тока можно под- разделить на три группы в зависимости от наличия градиента температуры теплоносителя в сечениях ТА, нормальных к направлению движения тепло- носителя. Если, например, жидкость протекает внутри труб, а газ движется перпендикулярно к трубному пучку и может свободно перемешиваться в межтрубном пространстве, то его температура в сечении, нормальном к на- правлению движения, выравнивается. Поскольку жидкость проходит внутри труб отдельными не перемешиваемыми между собой потоками, в сечении пучка всегда имеет место градиент температур. В рассмотренном примере га- зообразный теплоноситель считается идеально перемешанным, а жидкость внутри труб абсолютно не перемешанной. С этой точки зрения возможны следующие случаи: оба теплоносителя идеально перемешаны и градиенты их температур в поперечном сечении равны нулю; один из теплоносителей иде- ально перемешан, а другой абсолютно не перемешан; оба теплоносителя аб-

солютно не перемешаны.

Характер изменения температур теплоносителей в рекуперативных ТА зависит от фазовых превращений в теплоносителях и от схемы их тока (рис. 1.7): постоянная температура (t1и t2) обоих теплоносителей, равная температуре ts1и ts2(см. рис. 1.7, а), например конденсаторы испарители ин- дивидуальных веществ; постоянная температура одного теплоносителя (см. рис. 1.7, б, в), например конденсаторы и испарители индивидуальных ве- ществ; переменная температура обоих теплоносителей (см. рис. 1.7, г, д).

Рис. 1.7. Изменение температуры теплоносителей в рекуперативном ТА: а – при фазовых превращениях обоих теплоносителей (конденсация одного, ис- парение другого); б – при испарении нагреваемого теплоносителя; в – при конденсации греющего теплоносителя; г – при прямоточном движении теп- лоносителей без фазовых превращений; д – при противоточном движении теплоносителей без фазовых превращений

В регенеративных ТА, где греющий и нагреваемый теплоносители проходят через насадку поочередно, реализуются две схемы движения – пря- моток и противоток. Эффективность аппарата при противотоке теплоносите- лей выше, чем при прямотоке.