57.1. Класифікація, принцип дії й області застосування

Теплообмінними апаратами, або теплообмінниками, називаютьустаткування, призначене для передачі тепла від одного теплоносія доіншого, для реалізації теплового процесу - охолодження, нагрівання,конденсації й т.ін. Як теплоносії можуть використовуватися рідини,суміші й суспензії, пара, гази.

Традиційно теплоносій, що має більш високу температуру йвіддає тепло, називається гарячим (іноді первинним або тим, що гріє)теплоносієм, а сукупність поверхні апарата, де він діє, - гарячою сто-роною. Відповідно теплоносій з нижчою температурою, що приймаєтепло, називають холодним (вторинним або тим, що нагрівають) і по-верхню його дії - холодною стороною.

Існуючі теплообмінні апарати можуть бути класифіковані за рі-зними ознаками:

способом передачі тепла;

призначенням;

типом поверхні, що передає тепло;

видом теплоносіїв і їхнім агрегатним станом;

компонуванням поверхні нагрівання.

За способом передачі тепла всі теплообмінники підрозділяютьсяна поверхневі й контактні. В апаратах контактного типу передача теп-ла здійснюється через безпосередній контакт теплоносіїв. Теплооб-мінники даного класу підрозділяються на змішувальні й барботажні. Узмішувальних апаратах відбувається перемішування гарячого й холо-дного теплоносія з утворенням розчинів або сумішей. У барботажнихапаратах гарячий теплоносій проходить через масу холодного тепло-носія (або навпаки) і віддає тепло.

Для теплообмінників поверхневого типу характерна наявністьтвердої поверхні нагрівання, що бере безпосередню участь у передачітепла. Такі апарати прийнято підрозділяти на регенеративні й рекупе-ративні. В апаратах регенеративного типу поверхня нагрівання (зви-чайно ця поверхня називається насадкою) спочатку приймає тепло відгарячого теплоносія і сама нагрівається. Далі, після акумуляції теплацією поверхнею, на неї направляють холодний теплоносій, що відби-рає тепло від нагрітої твердої поверхні (насадки).

У рекуперативних теплообмінниках тверда поверхня, непрони-кна для теплоносіїв, розділяє гарячу й холодну сторони, передаючитепло через себе. Рекуперативні теплообмінники часто називаютьсязалежно від їхнього призначення в тій або іншій області техніки. На-приклад, апарати для утилізації тепла в газотурбінних установкахназивають регенератори, апарати для охолодження масла - маслоо-холоджувачі. Також розрізняють повітрянагрівачі, пароперегрівники,радіатори й т.п.

Теплообмінні апарати поверхневого типу часто класифікують заспособом взаємного руху потоків теплоносіїв: прямоточні, протиточ-ні, з перехресним струмом і з комбінацією прямотоку, протитоку йперехресного струму.

За типом передавальної поверхні або за конструкцією апаратівінтенсивної дії теплообмінники прийнято підрозділяти на трубчастіапарати з різною конфігурацією трубок або трубних пучків; пластин-часті; спіральні; пластинчасто-ребристі; змієвикові (рис.57.1).

За видом теплоносіїв і їхнім агрегатним станом розрізняють рі-динно-рідинні апарати, парорідинні, газорідинні, парогазові й газо-газові теплообмінники.

За компонуванням поверхні нагрівання можна виділити кожухо-трубчасті апарати, теплообмінники типу «труба в трубі», зрошувальніапарати без обмежуючого корпусу.

Крім цього, необхідно відмітити, що усередині кожного перера-хованого типу теплообмінних апаратів може існувати своя специфічнакласифікація, що найчастіше пов'язано з конструктивним виконаннямтеплообмінника, типом теплоносія або його промисловим призначен-ням. Докладно класифікація теплообмінних апаратів за різними озна-ками представлена в списку літератури [1-3].

При виборі того або іншого типу теплообмінника найважливішуроль відіграють теплоносії, що беруть участь у процесі теплообміну й,у першу чергу, їх теплофізичні властивості. Найбільш важливими, зпогляду інтенсивності теплопередачі, є: щільність і теплоємність; теп-лопровідність; в'язкість; температура кипіння й плавлення.

ооo>

oS

ffla

a'

--j

s

Теплоносії з великою щільністю й теплоємністю дозволяютьвідводити тепло при досить малих різницях температур на вході й ви-ході з теплообмінника при однакових витратах теплоносіїв. Теплопро-відність теплоносія за інших рівних умов впливає на тепловіддачу:чим вища теплопровідність, тим більший коефіцієнт тепловіддачі втеплообміннику. Гідравлічні втрати при русі теплоносіїв у теплооб-мінному апараті багато в чому залежать від їхньої в'язкості.

Чим вища в'язкість середовищ у теплообміннику, тим більшепотрібно затратити механічної енергії на їхнє просування через апа-рат. Температура кипіння визначає властивість теплоносія зберігатисвій агрегатний стан у процесі теплообміну. Бажано, щоб температуракипіння була високою при невисокому тиску пари. Температура плав-лення повинна бути як можна нижчою, що дозволяє залишатися теп-лоносієві в рідкому стані у всьому діапазоні температур роботи тепло-обмінника.

Найважливішу роль грає також хімічний і механічний склад те-плоносіїв. Бажано застосовувати хімічно стійкі, неагресивні середо-вища з мінімальними корозійними й ерозійними ефектами.

У даній роботі розглядаються пластинчасті теплообмінні апара-ти, які відносяться до класу поверхневих рекуперативних апаратів ін-тенсивної дії з поверхнею теплообміну з листового металу [4], класи-фікація яких представлена на рис.57.2. У світовій практиці апаратитакого типу відносять до класу компактних теплообмінних апаратів.Під компактними розуміються апарати, що мають співвідношенняплощі теплопередаючої поверхні до об'єму, який вона займає, більше200 м2/м3, і гідравлічний діаметр, що не перевищує 14 м [3]. Це понят-тя компактності трохи ширше прийнятого раніше, що вимірялося, від-повідно до визначення, 700 м2/м3 (при гідравлічному діаметрі прибли-зно 4 м), але бурхлива поява на ринку теплообмінників пластинчастихапаратів низької вартості, які за своїми габаритами значно менші тра-диційних кожухотрубчастих, створила передумови для розширеннявизначення поняття компактності.

У світовій науковій літературі значно ослабшав потік публіка-цій, присвячених дослідженню процесів теплообміну, розрахунку йстворення конструкцій пластинчастих теплообмінних апаратів. Цепояснюється створенням різними фірмами-виробниками досить ефе-ктивних конструкцій великої номенклатури пластинчастих

А пара™         і ьою теплообміну з листового металу

Пластинчасті

Ламельні

Спіральні

Пластинчасто-реберні


3 оребреннямплоскої форми

3 оребреннямскладної форми

У циліндрич-ному корпусі

У прямокутно-му корпусі

3 тупіковими

Зі сквознимиканалами

3 глухимиканалами

каналами

 

 


Рис. 57.2. Класифікація теплообмінних апаратів виготовлених з листового металу.

апаратів, що випускають серійно, і традиційні форми наукового дослі-дження в цій області досягли свого насичення. Проводяться в основ-ному експериментальні дослідження для додатків пластинчастих апа-ратів у різних областях промисловості або по застосуванню нових ма-теріалів як поверхні теплообміну. Про деякі з таких досліджень будесказано далі при розгляді окремих додатків. З іншого боку, фірми-виробники пластинчастого устаткування, вкладаючи значні кошти встворення нових зразків, технологій або методик розрахунку, фактич-но публікують результати досліджень у декларативній формі або увигляді рекламних повідомлень, що цілком зрозуміло з погляду рин-кової конкуренції.

У вітчизняній літературі після інтенсивних досліджень процесіву пластинчастих теплообмінних апаратах в 70-80-х pp. в Харківсько-му політехнічному інституті й УкрНІІХіммаші, публікації на цю темувідновилися наприкінці 90-х, після приходу на вітчизняний ринок за-кордонного теплообмінного устаткування. Однак ряд фундаменталь-них монографій на цю тему дотепер не втратили своєї цінності як унауковому, так і в методичному плані. До них можна віднести роботивітчизняних авторів [4-7], перевідні видання закордонних учених [8-14]. Серед робіт прикладного характеру можна відзначитимонографію [15], присвячену застосуванню пластинчастихтеплообмінників у теплопостачанні.