ТИПЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

По способу передачи теплоты различают поверхностные и контактные (смесительные) теплообменные аппараты. Поверхно-стные теплообменные аппараты разделяют на рекуперативные и регенеративные.

Врекуперативных теплообменниках теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их твердую стенку. При этом подразумевается, что процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер, а оба потока теплоносителей проходят через теплообменник одновременно. Рекуперативные теплообменники различают по схеме относительного движения теплоносителей и взаимной геометрии этих течений (рис. 6.1) – проти-воточные, прямоточные, с перекрестным током без противотока и с противотоком и др.; по конструкции (рис. 6.3)– тубчатые, пластинчатые и оребренные. В трубчатых теплообменниках используют гладкие прямые и змеевиковые трубы, а также трубы с оребрением. В пластинчатом теплообменнике рабочая поверхность выполнена из листового материала (рис. 6.3,д). Каналы между пластинами объединены через один общими коллекторами и образуют, таким образом, полости для каждого из теплоносителей.

В противоточном рекуперативном теплообменнике два теплоноси-теля движутся параллельно друг другу, но в противоположных направлениях. Этот тип течения схематично представлен на рис. 6.1,б и рис. 6.3,б, где изображена одиночная труба относительно малого диаметра, расположенная коаксиально внутри трубы большого диаметра. Один теплоноситель течет по внутренней трубе, другой – в кольцевом пространстве между двумя трубами. На практике внутри одной трубы большого диаметра (кожуха) может быть расположено значительное число труб. Противоточные рекуперативные теплооб-менники наиболее эффективны с точки зрения передачи теплоты, поскольку обеспечивают наилучшее использование располагаемой разности температур, в них также может быть достигнуто наибольшее изменение температуры каждого теплоносителя.

Рис. 6.1. Схемы движения теплоносителей: прямоток (а);

противоток (б); смешанный (в) и перекрестный (г) ток

В прямоточном теплообменнике два теплоносителя движутся также параллельно друг другу, но в одном и том же направлении. Схематически такой теплообменник изображен на рис. 6.1,а. При значительном изменении температуры теплоносителей располагаемая разность температур в таком теплообменнике используется плохо. С точки зрения передачи теплоты такая схема является самой неэффективной.

В рекуперативном теплообменнике с перекрестным током без противотока два теплоносителя движутся под прямым углом друг к другу. Например, первый поток может течь внутри труб, собранных в пучок, тогда как второй поток может двигаться в пространстве между трубами в направлении в целом перпендикулярном оси этих труб. Схематично эти теплообменники изображены так, как это показано на рис. 6.1,г и рис.6.2. По своей эффективности рекуперативные теплообменники с перекрестным током занимают прмежуточное положение между теплообменниками с противотоком и прямотоком. Однако эти теплообменники сконструировать проще, чем указанные выше типы аппаратов.

Рис. 6.2. Схема рекуперативного теплообменника

с перекрестным током

Рекуперативные теплообменники, имеющие перекрестный ток с противотоком(рис.6.3,а,в), можно рассматривать как компромиссный вариант между требованием высокой эффективности аппарата и простотой конструкции. Чем больше число ходов в таком теплообмен-нике, тем ближе он по экономичности к противоточному варианту.

В общем случае при выборе схемы движения теплоносителей в рекуперативных теплообменниках стараются добиться приблизительно одинаковой разности между температурами теплоносителей по всей поверхности теплообмена.

В регенеративных теплообменных аппаратах имеют место неста-ционарные процессы переноса теплоты, так как два теплоносителя проходят через одно и то же пространство попеременно. Передача теплоты осуществляется путем поочередного соприкосновения тепло-носителей с одними и теми же поверхностями аппарата. Во время

Рис. 6.3. Конструкции рекуперативных теплообмеников:

а – змеевиковый; б – типа «труба в трубе»; в – кожухотрубный;

г – трубчатый воздухонагреватель; д – пластинчатый

В общем случае при выборе схемы движения теплоносителей в рекуперативных теплообменниках стараются добиться приблизительно одинаковой разности между температурами теплоносителей по всей поверхности теплообмена.

В регенеративных теплообменных аппаратах имеют место неста-ционарные процессы переноса теплоты, так как два теплоносителя проходят через одно и то же пространство попеременно. Передача теплоты осуществляется путем поочередного соприкосновения тепло-носителей с одними и теми же поверхностями аппарата. Во время соприкосновения с «горячим» теплоносителем стенки регенератора на-греваются, с «холодным» - охлаждаются, нагревая его. Регенеративные теплообменные аппараты могут быть выполнены с противотоком, прямотоком или с перекрестным течением теплоносителей так же, как и рекуперативные теплообменники. Регенератор с периодическим пере-ключением теплоносителей состоит из нескольких камер, заполненных керамической или металлической насадкой, в камеры поочередно поступают горячие дымовые газы и нагреваемые воздух или газообразное топливо. В регенеративных теплообменниках с непрерывным переключением теплоносителей либо насадка, выполненная из металла или другого материала, поочередно входит в зону омывания теплоносителями, либо насадка неподвижна, а вращаются воздушные патрубки, размещенные внутри газовых коробов (рис. 6.4). Регенераторы с периодическим переключением теплоносителей обеспечивают подогрев воздуха до 1000-1200^оС, а с непрерывным переключением – до 400^оС. Однако последние значительно компактнее и дешевле.

Рис. 6.4. Схема регенератора с непрерывным переключением телоноси-

теля: 1 – насадка; 2 – воздушный патрубок; 3 – газовый короб

В контактных (смесительных) теплообменных аппаратах (градирнях, скрубберах, смесительных, барботажных и др.) перенос теплоты обеспечивается при непосредственном контакте теплоносителей без разделяющей их твердой поверхности.. При этом процесс теплообмена сопровождается частичным или полным смешением теплоносителей (массопереносом). Во многих случаях контактные теплообменники целесообразно использовать для таких теплоносителей, которые можно легко разделить после теплообменного оппарата. Например, такой парой теплоносителей является вода и воздух.Принцип действия контактных (смесительных) теплообменных аппаратов наглядно иллюстрирует бытовой кран-смеситель холодной и горячей воды.

Наиболее важным фактором в рабочем процессе контактного теплообменного аппарата является величина поверхности соприкос-новения теплоносителей, которая зависит от степени дробления жид-кости.

Из трех рассмотренных выше типов теплообменных аппаратов наиболее распространенными являются рекуперативные теплооб-менники, которые работают в установившемся тепловом режиме. Поэтому ограничимся их рассмотрением и будем рассматривать тепловой расчет и выбор параметров только для рекуперативных тепло-обменников, опуская в дальнейшем признаки способа передачи теплоты и характера теплового режима.