Теплообмінні апарати. Призначення, область застосування, класифікація, вимоги, будова і принцип дії.

 

.

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназна­ченные Для передачи теплоты от более нагретого теплоносителя к ме­нее нагретому. По назначению теплообменные аппараты подразделя­ются на охладители и подогреватели.

По способу передачи теплоты различают контактные и поверхно­стные теплообменные аппараты; в контактных аппаратах теплота передается в результате непосредственного контакта (смешения) двух теплоносителей. Поверхностные теплообменные аппараты разделяют на рекуперативные и регенеративные. В первых теплота передается от одного носителя к другому через разделяющую их твердую стенку; во вторых — стенка, находящаяся попеременно в контакте то с одним, то с другим теплоносителем передает теплоту от первого ко второму.

Наибольшее распространение получили поверхностные рекупера­тивные теплообменные аппараты, в которых в качестве греющего и на­греваемого теплоносителя могут использоваться газы, пары и жидко­сти.

В судовых энергетических установках теплообменные аппараты широко применяют для охлаждения или подогрева воздуха, масла и воды, а также в рефрижераторных установках и установках кондицио­нирования воздуха.

. Основными эксплуатационными требованиями, предъявляемыми к судовым теплообменным аппаратам, являются надежность действия в течение заданного срока и простота обслуживания.

Конструкция аппарата и применяемые материалы должны исклю­чать возможность возникновения коррозии и эрозии и повреждения аппарата от разности температурных удлинений корпуса и поверхно­сти теплообмена, а также от действия ударных нагрузок. Поверхности теплообмена судовых аппаратов чаще всего выполняют из гладких круглых труб. Теплообменные аппараты, у которых пучок труб раз­мещен в корпусе (кожухе), принято называть кожухотрубными.

Широко распространенными материалами для изготовления теплообменных аппаратов являются обычная углеродистая сталь и чугун. В некоторых случаях некоторые детали изготавливают из цветных ме­таллов и сплавов, низколегированной стали. Возросшие требования к аппаратам теплообмена по давлению, температуре рабочей среды, массе, габаритам и коррозийной стойкости обусловили применение новых материалов: высоколегированных хромоникелевых сталей, ти­тана, циркония, тантала и др. Титан и его сплавы, имеющие высокие значения предела прочности и текучести при низкой плотности, по­зволяют создавать компактные конструкции облегченного типа.

Достижения современной химии позволяют применять в аппаратостроении также и неметаллические материалы: все больше внедря­ют углеграфитовые материалы, пластмассы, керамику и стекло. Из-за относительно невысокой стоимости по сравнению с цветными ме­таллами и сплавами и высокой коррозионной стойкости эти материалы можно считать весьма перспективными.

Как правило, аппараты из неметаллических материалов применя­ют только при небольших давлениях рабочей среды. Неметаллические материалы могут быть использованы в качестве покрытий для обычных материалов, например углеродистой стали. Для защиты от коррозии применяют также двухслойный материал из стеклоткани и политрифторхлорэтилена.

Общее направление при конструировании кожухотрубных аппа­ратов — это максимальное уменьшение диаметра трубок, образую­щих поверхность теплообмена. Применение трубок малого диаметра (25, 19 и 10 мм) позволяет создавать более компактные конструкции: чем меньше диаметр трубок, тем выше коэффициент теплопередачи (при прочих равных условиях), т. е. при этом значительно уменьшает­ся диаметр корпуса для поверхности теплообмена, соответственно сни­жается стоимость изготовления аппарата. С уменьшением диаметра трубок и корпуса в аппаратах с высоким давлением среды конструк­тивно проще решается проблема уплотнения. Однако при малых диа­метрах трубки более быстро забиваются грязью, что приводит к час­тым чисткам аппарата. Это обстоятельство имеет особое значение для судовых аппаратов, так как рабочей средой для них служит забортная вода, которая может содержать водоросли или взвешенные частицы, кроме того, возникает необходимость установки в системе фильтров. Для интенсификации теплообмена применяют самые разнообраз­ные способы.

Для повышения коэффициента теплоотдачи повышают скорость рабочей среды. Если же этого недостаточно, для более резкого увели­чения теплосъема применяют трубки с наружной поверхностью слож­ной конфигурации. Такая поверхность может быть получена разными способами: прокаткой трубок с образованием ребер из основного ме­талла самой трубки; приваркой или припайкой к трубке ребер, вы­полненных отдельно в виде спиральной ленты, прямоугольных квад­ратных или круглых пластин; приваркой к наружной поверхности трубки штырей или шпилек, имеющих разнообразную форму.

Для воздушных калориферов часто применяют поверхность, об­разованную со стороны воздуха ребрами круглого или прямоуголь­ного сечения.

В практике широко используют пластинчатые теплообменные ап­параты. Интенсификация теплообмена в них достигается как за счет применения пластин различного профиля и конфигурации, так и снаб­жения пластин теплообмена элементами, вызывающими дополнитель­ную искусственную турбулизацию рабочей среды.

Достаточно широко применяют аппараты змеевикового типа, а так­же с поверхностью из витых трубок.

Основным типом теплообменных аппаратов являются рекупера­тивные (поверхностные) аппараты, у которых одна рабочая среда пе­редает теплоту другой рабочей среде через разделяющую их поверх­ность— стенку. Теплопередающая поверхность образуется из трубок или пластин разных конфигураций. Аппараты, у которых теплообмен происходит путем смешения рабочих сред, применяют очень редко.

Рекуперативные аппараты имеют много разновидностей, поэтому для удобства рассмотрения необходимо их условно классифициро­вать по конструктивным, теплотехническим и технологическим при­знакам:

по назначению — охладители, подогреватели и испарители;

по роду рабочих сред — пар-—жидкость, жидкость—жидкость, газ—жидкость и газ—таз;

по числу ходов — одноходовые и многоходовые;

по направлению потока рабочих сред — прямоточные, противоточные, смешанного и перекрестного тока;

по конфигурации поверхности теплообмена — кожухотрубные, пластинчатые, змеевиковые и специальные;

по жесткости конструкции — жесткие, полужесткие и нежесткие (с U-образными трубками, с плавающей головкой и др.);

по материалу — металлические, неметаллические и комбиниро­ванные

 

 

Пластинчатый теплообменный аппарат а) пластина; б) теплообменник в сборе.