Классификация теплообменных аппаратов

Теплообменными аппаратами называют устройства, в которых происходит передача теплоты от одного тела к другому. Тела, которые отдают или принимают теплоту, называют теплоносителями.

По принципу работы теплообменные аппараты делятся на поверхностные (рекуперативные и регенеративные) и контактные (смесительные). В рекуперативных поверхностных теплообменных аппаратах обменивающиеся теплотой среды 1 и 2 протекают одновременно и передача теплоты происходит через разделяющую их поверхность 3 (рисунок 1.1 а).

В регенеративных теплообменных аппаратах (рисунок 1.1 б, в) поверхность 3 теплообмена по очереди омывается то греющим 1, то нагреваемым 2 теплоносителем. Такие теплообменные аппараты применяют для подогрева газообразных компонентов горения, а также в криогенной технике. В качестве поверхности теплообмена в регенеративном ТА используется теплоаккумулирую- щая насадка, элементы которой, например в виде шаров, решеток, колец, образуют каналы сложной формы для прохождения теплоносителей.

В контактных теплообменных аппаратах передача теплоты от греющего теплоносителя к нагреваемому происходит при непосредственном их контакте. Контактные ТА делят на смесительные и барботажные. В аппаратах смесительного типа (рис. 1.1 г) нагреваемый 2 и греющий 1 теплоносители перемешиваются. В барботажных аппаратах греющий теплоноситель прокачивается через нагреваемый, или наоборот, не смешиваясь с ним. В барботажном ТА (рис. 1.1 д) горячий воздух 1 направляется в теплообменные элементы 4, по внутренней цилиндрической поверхности которых закрученным тонким слоем стекает вода 2. Воздух, проходя через слой воды, разрывает ее поток на отдельные пленки и при непосредственном контакте с водой охлаждается.

По роду теплоносителей различают теплообменные аппараты: жидкость - жидкость; пар - жидкость; газ - жидкость; пар - пар; пар - газ; газ - газ.

В зависимости от изменения агрегатного состояния теплоносителей ТА делят: без изменения агрегатного состояния; с изменением агрегатного состояния одного теплоносителя; с изменением агрегатного состояния обоих теплоносителей.

Рисунок 1.1 - Типы теплообменных аппаратов

По характеру движения теплоносителей относительно теплопередающей поверхности теплообменные аппараты делят на три типа: с естественной циркуляцией; с принудительной циркуляцией; с движением жидкости под действием сил гравитации. К ТА с естественной циркуляцией относятся испарители, выпарные аппараты, водогрейные и паровые котлы, у которых теплоноситель движется благодаря разности плотностей жидкости и образующейся парожидкостной смеси в опускных и подъемных трубах циркуляционного контура. К ТА с принудительной циркуляцией относятся рекуперативные теплообменники, выпарйые аппараты, испарители, а к аппаратам с движением жидкости под действием сил гравитации - конденсаторы, оросительные теплообменники.

По роду теплового режима ТА могут быть со стационарными и нестационарными процессами теплообмена. Рекуперативные ТА в основном работают в установившемся стационарном режиме, а регенеративные - в нестационарном режиме.

По виду (конфигурации) поверхности теплообмена рекуперативные ТА делят: кожухотрубные с прямыми гладкими трубами; кожухотрубные с U-образными трубами; кожухотрубные с оребренными трубами; секционные «труба в трубе»; змеевиковые; спиральные; пластинчатые; пластинчато-ребристые; ламельные.

Регенеративные ТА классифицируют по виду и форме насадки. При низких температурах в криогенных регенеративных ТА в качестве элементов насадки используется алюминиевая гофрированная лента (рис. 1.2 а). При умеренных и низких температурах устанавливают сетчатую насадку (рис. 1.2 б) из материала с высокой теплопроводностью (медь, латунь). Для уменьшения гидравлического сопротивления в низкотемпературных регенеративных ТА применяется насадка (рис. 1.2 в), металлические пластины и каналы которой в виде усеченной пирамиды равномерно распределены по всему сечению. В криогенных и металлургических ТА используют насадку в виде шариков или гранул диаметром 6... 12 мм (рис. 1.2 г), изготовленных из материала с большой теплоемкостью и обладающих повышенной жаростойкостью. В высокотемпературных регенеративных ТА насадка часто выполняется решетчатой из огнеупорного кирпича (рис. 1.2 д). В некоторых аппаратах насадку делают из колец Рашига (рис. 1.2 ё).

Рисунок 1.2 – Типы насадок регенеративных теплообменных аппаратов

По способу компенсации температурных удлинений рекуперативные ТА классифицируют: без компенсации (жесткая конструкция); с компенсацией упругим элементом (полужесткая конструкция); с компенсацией в результате свободных удлинений (нежесткая конструкция).

По виду кожуха, ограничивающего тепло передающую поверхность, рекуперативные ТА делят следующим образом: с коробчатым кожухом; кожухотрубные; кожухотрубные с компенсатором на кожухе; не имеющие ограничивающего кожуха (оросительные аппараты).

По ориентации теплопередающей поверхности аппараты могут быть вертикальными, горизонтальными и наклонными.

По числу теплоносителей ТА классифицируют на двухпоточные, трехпоточные и многопоточные (рис. 1.3). В отдельных случаях к многопоточным ТА относят системы, состоящие из нескольких теплообменников обычного типа, соединенных циркулирующим промежуточным теплоносителем 3 (рис. 1.3 в). Многопоточные ТА имеют обычно чередующиеся слои компактной теплообменной поверхности (рис. 1.3 г).

Рисунок 1.3 - Схемы ТА в зависимости от числа теплоносителей

а - двухпоточный; б - трехпоточный; в - с промежуточным теплоносителем;

г - многопоточный; 1 - 6— потоки

По схемам тока теплоносителей рекуперативные ТА можно разделить на три группы: с постоянной температурой (t₁ и t₂) обоих теплоносителей (рис. 1.4 а); с постоянной температурой одного теплоносителя (рис. 1.4 б, в); с переменной температурой обоих теплоносителей (рис. 1.4 г, д). В зависимости от взаимного направления потоков теплоносителей различают прямоток, противоток, перекрестный ток, смешанный ток и сложные схемы тока.

Схемы однократного и многократного перекрестного тока можно выделить в три группы в зависимости от наличия градиента температуры теплоносителя в сечениях ТА: оба теплоносителя идеально перемешаны и градиенты их температур в поперечном сечении равны нулю; один из теплоносителей идеально перемешан, другой абсолютно не перемешан; оба теплоносителя абсолютно не перемешаны.

В регенеративных ТА, где греющий и нагреваемый теплоносители проходят через насадку поочередно, реализуются две схемы движения - прямоток и противоток.

Рисунок 1.4 - Изменение температуры теплоносителей в рекуперативном ТА

а - при фазовых превращениях обоих теплоносителей; б - при испарении нагреваемого теплоносителя; в - при конденсации греющего теплоносителя;

г - при прямоточном движении теплоносителей без фазовых превращений; д - при противоточном движении теплоносителей без фазовых превращений