Общие положения. Теплообменный аппарат (теплообменник) - это устройство, предназначенное для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому, т. е. нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого.
По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные (рис. 1.9).
К поверхностным теплообменным аппаратам относятся:
▪ рекуперативные, если теплоносители движутся одновременно относительно разделяющей их стенки;
▪ регенеративные, если одна и та же поверхность нагрева омывается периодически то горячим, то холодным теплоносителем.
В рекуперативных теплообменниках теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку, т. е. эта стенка служит поверхностью теплообмена. Поэтому для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводностью: меди, стали, латуни, сплавов алюминия и т. д.
Рис.1.9. Классификация теплообменных аппаратов
В зависимости от конструктивного выполнения поверхности теплообмена рекуперативные теплообменные аппараты разделяют:
• на кожухотрубные;
• двухтрубные типа «труба в трубе»;
• змеевиковые;
• оросительные;
• трубчатые выпарные и т. д.
Регенеративные теплообменники и теплообменники с промежуточным теплоносителем работают фактически по одному и тому же принципу, заключающемуся в том, что теплота от одного теплоносителя к другому переносится с помощью какого-то третьего вспомогательного вещества.
Это вещество (промежуточный теплоноситель) нагревается в потоке горячего теплоносителя, а затем отдает аккумулированную теплоту холодному теплоносителю. Для этого необходимо либо переносить сам промежуточный теплоноситель из одного потока в другой, либо периодически переключать потоки теплоносителей в теплообменнике периодического действия.
В регенеративных теплообменниках в качестве промежуточного теплоносителя используется твердый достаточно массивный материал - листы металла, кирпичи, различные засыпки.
Регенеративные теплообменники незаменимы для высокотемпературного (t > 1000 °C) подогрева газов, поскольку жаростойкость металлов ограничена, а насадка из огнеупорных кирпичей может работать при очень высоких температурах. Иногда регенеративные теплообменники выгодно использовать и для охлаждения запыленных газов, которые способны быстро изнашивать или забивать трубки рекуператоров.
В смесительных теплообменных аппаратах теплообмен происходит при смешении теплоносителей без разделяющей их твердой поверхности. Наиболее простыми и компактными являются смесительные теплообменники, в которых смешиваются теплоносители, не требующие дальнейшего разделения, например при подогреве воды паром (деаэраторы).
Используются смесительные теплообменники и для легко разделяющихся теплоносителей: газ - жидкость, газ - дисперсный твердый материал, вода - масло и т. д. Для увеличения поверхности контакта теплоносителей их тщательно перемешивают, жидкости разбрызгивают или разбивают на мелкие струи.
Теплообменники типа «труба в трубе». Одним из наиболее распространенных теплообменных рекуперативных аппаратов являются двухтрубные теплообменники типа «труба в трубе» (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Схема элемента двухтрубного противоточного
теплообменного аппарата
Теплообменники этого типа представляют собой батарею из нескольких теплообменных элементов, расположенных один под другим. Каждый элемент состоит из внутренней трубы и охватывающей ее наружной трубы. Внутренние трубы отдельных элементов также, как и наружные трубы, соединены между собой последовательно. Один теплоноситель движется в трубах, а другой - в межтрубном пространстве по кольцевым каналам между трубами.
Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки внутренних труб. В двухтрубных теплообменниках обеспечивается высокая скорость теплоносителей (даже при малых расходах) и высокая интенсивность теплообмена. Однако эти теплообменники громоздки и металлоемки; поэтому их применяют преимущественно для проведения процессов нагревания и охлаждения при высоких давлениях. При необходимости создания больших поверхностей теплообмена устанавливают несколько параллельно соединенных батарей.
