Теплообменные аппараты: виды, устройство, принцип работы

Введение

Теплообменник – техническое устройство, предназначенное для передачи тепла между нагретой средой и холодной. Чаще всего теплообмен осуществляется через элементы конструкции аппарата, хотя встречаются агрегаты, принцип действия которых основан на смешении двух сред.

Области применения теплообменных аппаратов:

• системы отопления;
• металлургия;
• энергетика;
• тепловые пункты;
• химическая и пищевая промышленности;
• системы кондиционирования и вентилирования воздуха;
• коммунальное хозяйство;
• атомная и холодильная отрасли.

Виды теплообменных аппаратов

Теплообменные аппараты подразделяются на несколько групп в зависимости от:

• типа взаимодействия сред (поверхностные и смесительные);
• типа передачи тепла (рекуперативные и регенеративные);
• типа конструкции;
• направления движения теплоносителя и теплопотребителя (одноходовые и многоходовые).

Наиболее наглядно классификация теплообменных аппаратов представлена на следующем изображении (если нужно увеличить картинку, то просто кликните по ней):

Рис. 1. Виды устройств теплообменников в зависимости от принципа работы

По типу взаимодействия сред

Поверхностные

Теплообменные аппараты данного вида подразумевают, что среды (теплоноситель и теплопотребитель) между собой не смешиваются, а теплопередача происходит через контактную поверхность – пластины в пластинчатых теплообменниках или трубки в кожухотрубных.

Смесительные

Кроме поверхностных теплообменников используются агрегаты, в основе эксплуатации которых лежит непосредственный контакт двух веществ.

Наиболее известным вариантом смесительных теплообменников являются градирни:

Рис. 2. Градирни – один из видов смесительных ТО

Градирни используются в промышленности для охлаждения больших объемов жидкости (воды) направленным потоком воздуха.

К смесительным теплообменникам относятся:

• паровые барботеры;
• сопловые подогреватели;
• градирни;
• барометрические конденсаторы.

По типу передачи тепла

Рекуперативные

В данном виде устройств теплопередача происходит непрерывно через контактную поверхность. Примером такого теплообменного аппарата является пластинчатый разборный теплообменник.

Регенеративные

Отличаются от рекуператоров тем, что движение теплоносителя и теплопотребителя имеют периодический характер. Основная область применения таких установок – охлаждение и нагрев воздушных масс.

Установки с подобным типом действия нужны в многоэтажных офисных зданиях, когда теплый отработанный воздух выходит из здания, но его энергию передают свежему входящему потоку.

Рис. 3. Регенеративный теплообменник

На изображении видно, как в теплообменник поступают 2 потока: горячий (I) и холодный (II). Проходя через коллектор 1, горячая среда нагревает гофрированную ленту, свернутую в спираль. В это время через коллектор 3, проходит холодный поток.

Спустя какое-то время (от нескольких минут до нескольких часов), когда коллектор 1, заберет достаточное количество тепла (точное время зависит от тех. процесса), крыльчатки 2 и 4 поворачиваются.

Таким образом изменяется направление потоков I и II. Теперь холодный поток идет через коллектор 1 и забирает тепло.

По типу конструкции

Вариаций конструкций теплообменных аппаратов очень много. Их выбор и подбор конкретной модели зависит от большого количества условий эксплуатации и технических характеристик:

• мощность теплообменника;
• давление в системе;
• тип сред (агрессивные или нет);
• рабочие температуры;
• прочие требования.

Подробную классификацию типов конструктивов теплообменных аппаратов можно посмотреть выше на Рис. 1.

По направлению движения сред

Одноходовые теплообменники

В данном виде агрегатов теплоноситель и теплопотребитель пересекают внутренний объем теплообменника однократно по кратчайшему пути. Наглядно это показано в следующем видео:

Подобная схема движения в ТО используется в простых случаях, когда не требуется повышать теплоотдачу от теплоносителя хладогенту. Кроме того, одноходовые теплообменники требуют более редкого обслуживания и промывки, так как на внутренних поверхностях скапливается меньше отложений и загрязнений.

Многоходовые теплообменники

Применяются, когда рабочие среды плохо отдают или принимают тепло, поэтому КПД теплообменного аппарата увеличивают за счет более длительного контакта теплоносителя с пластинами агрегата.

Пример работы двухходового пластинчатого теплообменника представлен в данном видео:

Устройство теплообменника

Как отмечалось выше, конструкции теплообменных аппаратов очень сильно отличаются между собой, поэтому подробно о каждой из них будет рассказано в следующих статьях.

В качестве примера можно рассмотреть пластинчатый разборный теплообменник, как наиболее современный и вытесняющий старые поколения теплообменных аппаратов: кожухотрубные (кожухотрубчатые), «труба в трубе» и другие виды.

Данный вид ТО состоит из двух главных пластин: подвижной и неподвижной прижимных плит. Обе плиты имеют несколько отверстий.

Отверстия, имеющие входящее и выходящее назначение потоков, надежно укрепляют специальной прокладкой и прочными кольцами спереди и сзади соответственно.

Рис. 4. Устройство РПТО

При монтаже к входным и выходным отверстиям через патрубки подключаются элементы трубопровода. Для соединения могут быть использованы трубы различного диаметра и с разным типом резьбы (современные требования предлагают использовать резьбу ГОСТа №12815 и ГОСТа №6357). Оба вида имеют прямую зависимость от устройства и его вида.

Посередине между прижимными плитами размещается множество пластин. Толщина пластин находится в пределах всего 0,5 мм, изготавливаются они, только из нержавеющей стали или титана с помощью метода холодной штамповки.

Все слои пластин перемежаются тонкой специальной уплотнительной резиной, которая устанавливается между всеми слоями пластин. Материал резины обладает заметной повышенной устойчивостью к высоким температурам, благодаря которой рабочие каналы становятся полностью герметичными.

Прямые направляющие снизу и сверху обеспечивают фиксацию пакета пластин, а также являются направляющими при сборке агрегата. Пластины сжимаются до необходимого размера при помощи затяжных гаек.

Внутреннее расположение пластин выбрано не случайно, каждая пластина через одну повернута на 180° относительно, рядом расположенных, соседних пластин. Благодаря данному устройству теплообменного аппарата входящее канальное отверстие имеет двойное уплотнение.

Наглядно устройство пластинчатого теплообменника, его сборку и принцип действия можно посмотреть в данном видео:

Принцип работы теплообменника

Передняя и задняя плита имеют отверстия, которые подключаются к трубопроводу. По ним теплоноситель и теплопотребитель поступают внутрь агрегата.

Рис. 5. Движение сред внутри пакета пластин

Пристенный слой гофрированного типа, в условиях потока, имеющего большую скорость, начинает постепенно набирать турбулентность. Каждая среда перемещается на встречу друг другу с разных сторон пластины, чтобы избежать смешения.

Параллельно расположенные пластины формируют рабочие каналы. Перемещаясь по всем каналам, каждая среда производит тепловой обмен и покидает внутренние пределы оборудования. Это означает, что все пластины являются самым важным элементом среди всех деталей теплообменника.

Потоки внутри пластинчатого теплообменника могут идти по одноходовым и многоходовым схемам в зависимости от технических характеристик и условий решаемой задачи:

Рис. 6. Схемы движения теплоносителей в пластинчатом разборном теплообменнике в зависимости от принципа работы

Заключение

В данной статье вы смогли ознакомиться с видами теплообменников, их назначением, сферами применения. В следующей статье мы подробно рассмотрим пластинчатые теплообменники — в чем их особенность, какие виды существуют и как они отличаются между собой, поэтому подписывайтесь на e-mail рассылку и новости в соцсетях, чтобы не пропустить их.

Стоит помнить, что в настоящее время кожухотрубные (кожухотрубчатые) теплообменники активно вытесняются пластинчатыми, поскольку последние более универсальны и просты в обслуживании.

Если вам нужно подобрать теплообменник под свою задачу, то вы можете посмотреть модели, которые поставляет наша компании в соответствующих разделах каталога.

Если же у вас возникают трудности, то свяжитесь с нашими инженерами или заполните форму:

Принцип работы теплообменника в системе отопления

Теплообменник для отопления представляет собой техническое устройство, передающее тепло между горячей и холодной средой. Приборы этого типа, применяемые для отопительных систем, делятся на несколько категорий в зависимости от принципа работы, взаимодействия сред, способа передачи тепла, а также направления движения носителя и потребителя тепла. При выборе теплообменного аппарата для дома или бани учитывают особенности конкретной системы отопления, плюсы и минусы прибора, его конструкцию и дополнительный функционал.

Устройство и принцип работы теплообменника

Конструкция теплообменного прибора напрямую зависит от его типа. Современные приборы для обогрева состоят из двух прижимных плит с отверстиями, к которым подключаются дополнительные элементы трубопровода. Носитель и потребитель тепла также поступают внутрь прибора благодаря наличию отверстий. Принцип работы теплообменника достаточно простой, его можно рассмотреть на примере пластинчатого агрегата. Поток тепла в таком приборе влияет на гофрированный слой в нем, постепенно набирающий скорость в процессе работы.

После запуска первого этапа среды начинают перемещаться навстречу друг другу с обеих сторон во избежание смешивания. На пластинах, расположенных параллельно, формируются рабочие каналы, во время перемещения по ним в каждой среде происходит тепловой обмен, в результате чего тепло выходит за пределы агрегата. В домашних или банных пластинчатых агрегатах внутренние потоки могут идти по схеме одноходового или многоходового типа с учетом технических характеристик и конкретных условий.

Перед выбором прибора полезно почитать информацию о том, для чего нужен теплообменник, узнать о типах агрегата, правилах его монтажа и эксплуатации.

Виды по принципу работы

По способу взаимодействия сред тепловые обменники могут быть поверхностными и смесительными. Схема подключения смесительного теплообменника считается более сложной.

Смесительные

В основе работы смесительных агрегатов лежит контакт двух веществ и смешивание потребителя и носителя тепла. Смесительный теплообменник для отопления делится на несколько категорий, сюда входят градирни с дымоходом, паровые барботеры, а также конденсаторы барометрического типа и сопловые подогреватели.

Поверхностные

Поверхностный теплообменник работает в котельной за счет передачи тепла сквозь контактную поверхность. Это могут быть пластины или труба в зависимости от типа прибора. Среды внутри таких агрегатов не смешиваются между собой, в чем заключается их главное отличие от смесительных аналогов.

По принципу передачи тепла поверхностные тепловые обменники делятся на два типа: регенеративные и рекуперативные.

• Принцип действия рекуперативного теплообменника основан на непрерывной передаче тепла сквозь контактную поверхность. Таким образом работают многие приборы пластинчатого типа.
• Стандартный или вторичный регенеративный агрегат предназначен для охлаждения и нагревания воздуха. В этих устройствах движение носителя и потребителя тепла происходит в периодическом режиме. Такие установки часто применяются в офисных многоэтажных зданиях.

Рекуперативные приборы делятся на две категории в зависимости от поверхности. Она может быть изготовлена из труб, такой вариант предназначен для работы в условиях высоких перепадов давления. Приборы с листовой поверхностью более компактны и имеют небольшой вес, поэтому монтаж теплообменника этого типа почти не доставляет проблем.

Кожухотрубные

Кожухотрубной прибор изготовлен из ребристых труб, увеличивающих площадь поверхности, которая передает тепло. Он может иметь конструкцию, включающую трубные решетки, с жесткой сцепкой всех деталей и элементов. Решетки в таком устройстве привариваются к стенкам корпуса, на сцепке к нему прикрепляются трубы. Конструкция с плавающей головкой считается более совершенной, аппараты этого типа стоят дороже, но считаются более практичными.

Погружные

Приборы такого типа часто устанавливают в многоэтажках. В них установлен змеевик в форме цилиндра, размещенный в сосуде с жидкостью. За счет простой конструкции время на отдачу тепла заметно сокращается.

Спиральные

Обвязка такого теплообменника состоит из металлических листов, скрученных в спираль и закрепленных на крене. Агрегатам этого типа нужна хорошая герметизация. Также нужно учесть, что установка спирального теплообменника требует специальных навыков. Спиральные приборы не используют в системах с давлением более 10 кгс/см2.

Пластинчатые

Пластинчатые приборы заслуженно считаются наиболее совершенными и идеально подходят как для частных домов, так и для производственных помещений. Они не доставляют проблем во время сборки и чистки, имеют минимальную степень сопротивления гидравлике. Схема подачи рабочей среды в них может осуществляться тремя способами: прямоточным, смешанным и противоточным.

Достоинства и недостатки

Современные агрегаты просты в обслуживании и не доставляют проблем во время разбора и промывания устройства. Пластинчатые теплообменники, которые устанавливают чаще всего, загрязняются медленнее за счет повышенной турбулентности и качественной полировки.

Тепловые агрегаты от ведущих производителей служат дольше по сравнению с водяными бойлерами, котлами ГВС и печами для домов и гаражей. Средний срок службы агрегата составляет около 10-20 лет. У большинства устройств практически нет недостатков за исключением необходимости чистить прибор по мере его загрязнения. Чтобы сократить скопление грязи внутри устройства, нужно всегда использовать качественный теплоноситель.

Правила выбора

В список основных критериев, на которые необходимо обращать внимание при выборе, входит:

• тип и качество применяемого теплового носителя;
• простота разборки и сборки;
• тип передачи тепла;
• возможность наращивать объем мощности в процессе эксплуатации.

Пластинчатые обменники чаще используют для систем охлаждения и подогрева холодильников и бассейнов, спиральные применяют в различных сферах промышленности, горизонтальные лучше подходят в качестве устройств подогрева.

Эксплуатация и уход

Своевременный осмотр, профилактика и замена деталей помогут сэкономить на ремонте и покупке нового прибора. На работе агрегата негативно сказывают процессы коррозии и эрозии деталей, фрикционный износ во время повышенной вибрации, а также воздействие высоких температур.

Если не устранить проблемы вовремя, конструкция может выйти из строя. Очистку устройства можно проводить самостоятельно или доверить ее специалисту.

Популярные производители

На российском рынке хорошо зарекомендовали себя разборные и паяные тепловые обменники от брендов РИДАН и ASTERA, отличающиеся высоким уровнем качества и доступностью необходимых запасных элементов.

Из зарубежных брендов покупатели чаще выбирают дизельные и стандартные устройства от ALFA LAVAL, DANFOSS и SONDEX.

При выборе агрегата нужно учитывать особенности системы в целом, смету, если речь идет о проекте, требования по количеству кВт, а также другие необходимые параметры.