Основные виды теплообменных аппаратов

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

В рекуперативных теплообменниках теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплом. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. На рис. 1 показаны примеры рекуперативных теплообменников, в которых 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 (рис. 2). Если теплоносители движутся параллельно в одинаковом направлении, теплообменник называют прямоточным (а), при противоположном направлении движения – противоточным (б). В теплообменнике с перекрестным током теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях (в). Помимо таких простых схем движения на практике осуществляются и более сложные: одновременно прямоток и противоток (рис. 2, г), многократно перекрестный ток (рис. 2, д) и др.

Рекуперативные теплообменники, предназначенные для утилизации тепла (например, в газотурбинных установках), называют регенераторами; теплообменники для рассеивания тепла горячей воды в окружающее пространство (например, в системе охлаждения автомобильного двигателя) называют радиаторами.

		г)
е) ж)	д)
а) – типа «труба в трубе», прямоток; б) – кожухотрубный противоток; в), г) и д) – многократный перекрестный ток; е) и ж)–трубчатый и пластинчато-ребристый перекрестный ток; 1 – горячий поток; 2 – холодный поток Рис. 1. Схемы рекуперативных теплообменных аппаратов:

Назначением определяются также специальные их названия: воздухоподогреватели, маслоохладители, испарители, пароперегреватели, конденсаторы и т. п.

Рис. 2. Схемы движения теплоносителей

В регенеративном теплообменнике одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При соприкосновении с горячим теплоносителем стенка аккумулирует тепло, а затем отдает его 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 периодов нагрева и охлаждения, такой теплообменник должен иметь две параллельно работающие секции.

Внутренняя полость теплообменника заполняется насадкой, которая делается из кирпича, металла или другого материала.

Разработана также конструкция регенеративного теплообменника с вращающейся насадкой. Возможны две схемы такого теплообменника. Первая из них – аппарат с дисковым ротором и осевым движением теплоносителей; вторая – теплообменник с барабанным ротором и радиальным движением теплоносителей.

На рис. 3 показан теплообменник с барабанным ротором. Ротор 1 разделен на секции, в каждой из которых размещается пакет из проволочной сетки. Эквивалентный диаметр отверстия в проволочной насадке составляет десятые доли миллиметра.

Рис. 3. Регенеративный теплообменник

Объем теплообменника с помощью стенок и уплотняющих устройств 6 и 7 разделен на две полости, через одну из которых протекает горячий теплоноситель, через другую – холодный. Уплотнения имеются также и на торцовой части ротора. Во время работы теплообменника ротор его вращается, и потому нагретые элементы насадки непрерывно переходят из полости горячего в полость холодного газа, а охладившиеся элементы – наоборот. Скорость вращения ротора составляет обычно 6 –15 об/мин.

Вращающийся регенеративный теплообменник обладает высокой компактностью, но при неодинаковых давлениях теплоносителей перетекание газа из одной полости в другую в местах уплотнения существенно снижает его эффективность. Поэтому при разном давлении теплоносителей целесообразность использования теплообменника этой схемы во многом зависит от возможности создания эффективного уплотнения между его полостями.

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.

Рис. 4. Контактный теплообменник

Наиболее важным фактором в рабочем процессе смесительного теплообменного аппарата является поверхность соприкосновения теплоносителей, которая зависит от степени дробления жидкости.

Для увеличения поверхности теплообмена на пути движения теплоносителей можно разместить насадку 1 (рис. 4), которая представляет собой слой кускового материала (например, куски керамики, кокса, кольца Рашига и т. п.) или деревянные решетки. Пленка жидкости на поверхности насадки представляет собой дополнительную поверхность контакта, которая иногда может быть основной поверхностью теплообмена. Пример такого теплообменника с насадкой показан на рис. 4. Аппарат предназначен для охлаждения воды воздухом. В верхней части теплообменника располагается сепаратор 2, предназначенный для отделения от воздуха мелких капелек воды перед выходом его из теплообменника.

Таким образом, существующие теплообменные аппаратуры отличаются друг от друга конструкцией, формой, размерами, назначением, видами теплоносителей и другими особенностями. Несмотря на большое разнообразие конструкций, основные положения теплового расчета теплообменных аппаратов остаются общими, поэтому целесообразно рассмотреть методику теплового расчета лишь одного, рекуперативного теплообменника, который находит наиболее широкое и разностороннее применение.