Теплообменники для промышленности - особенности типов и области применения

Промышленные теплообменники (ТО) — эффективное оборудование передачи тепловой энергии между двумя средами. Одна из них — это теплоноситель, а вторая — теплопотребитель. В результате тепломассообмена одна из сред подогревается, охлаждается, конденсируется либо испаряется.

Различаются теплообменные аппараты (ТОА) способом взаимодействия сред, методом обмена теплоэнергией, конструкцией, направлением движущихся веществ. От исполнения оборудования зависят его характеристики, достоинства. Эти факторы влияют на область применения аппаратов. Рассмотрим их основные типы.

Различие по способу взаимодействия сред

В промышленных теплообменниках тепловой энергией обмениваются, например, жидкости, газы, вода с газообразным веществом. Тепло также может передаваться между коррозионными или вязкими средами либо с твердыми частицами.

Поверхностные теплообменники

Эти аппараты отличаются не смешиванием теплоносителя с теплопотребителем. Они перемещаются по раздельным каналам, а перенос тепла между ними осуществляется за счет контактных твердых поверхностей. Это стенки герметичных трубок или пластин. Такой теплообменный способ позволяет точно регулировать температуру на промышленных объектах.

Смесительные теплообменники

Отличаются непосредственным контактом горячего и нагреваемого вещества. Это приводит к их смешиванию, образованию единого потока. У него будет средняя температура. Она зависимости от значения аналогичной характеристики теплоносителя, теплопотребителя.

Такой теплообмен происходит в следующих устройствах:

барометрических конденсаторах — конденсация пара;
диаэраторах — удаление кислорода, диоксида углерода, других агрессивных коррозионных газов из питательной воды тепловых сетей, котельных;
пароводяных струйных установках эжекторного типа — интенсивный подогрев воды путем воздействия пара;
скрубберах газоочистительного принципа действия.

Яркий пример смесительных ТО — градирни. Устройства охлаждают большое количество воды с помощью направленного воздушного потока.

Различие по методу обмена теплоэнергией

Промышленность использует рекуперативные, а также регенеративные теплообменники. Первый тип осуществляет непрерывную теплопередачу через твердую поверхность непроницаемой структуры. Рекуператоры отличаются высоким КПД и не смешиванием потоков. Такими достоинствами обладают:

подогреватели воздуха, сетевой воды;
испарители;
конденсаторы;
охладители.

Регенераторы же обладают стойкостью к высоким температурам, способствуют экономии энергии, работают с загрязненными потоками. Установки обеспечивают периодическое движение греющей и нагреваемой среды. Переключение между ними осуществляют неподвижные клапаны или вращающиеся роторы.

Обычно с помощью регенераторов нагревают либо охлаждают воздух. Их часто монтируют в многоэтажных офисах. Здесь регенераторы передают теплоэнергию от удаляемых теплых воздушных масс свежему более холодному поступающему потоку. Это оборудование еще часто применяют для печей в металлургической либо стекольной промышленности.

Различие по направлению движения рабочих сред

Существуют следующие схемы движения теплоносителя и теплопотребителя в теплообменниках:

Противоток — параллельное перемещение в противоположные стороны. Эффективный вариант из-за наибольшей разности температур во всех местах теплообменной поверхности.
Прямоток — движение в одну сторону. Это более простой вариант и менее эффективный, так как происходит уменьшение разности температур ближе к выходным патрубкам.
Перекрестный ток — перпендикулярное перемещение. Оно наиболее эффективно, когда одна из сред — это газообразное вещество.
Смешанный ток — движение по комбинированной схеме. Перемещение может совершаться, например, сначала в одном направлении, а потом в противоположные стороны.

Еще выпускаются одноходовые и многоходовые теплообменники. В первом типе движение сред осуществляется только один раз, а во втором — многократно для более эффективной работы.

Конструктивное различие

Промышленность использует разные типы ТОА. Они отличаются технологическими особенностями.

Пластинчатые теплообменники

Их изготавливают из пластинчатых гофрированных элементов небольшой толщины. Среды противотоком или перекрестным током движутся по каналам между титановыми, нержавеющими либо никелевыми пластинами.

Выпускаются ТОА, у которых пластины между собой уплотнены прокладками или сварены. Они отличаются:

компактным исполнением с удельной площадью поверхности от 100 до 200 м²/м³;
относительно небольшой металлоемкостью;
способностью выдерживать температуру максимум 180 ℃ или 350 ℃ (соответственно разборные и сварные модели);
рабочим давлением до 2,5 МПа;
высоким теплопередающим коэффициентом от 3000 до 7500 Вт/(м²*К), потому что потоки на пластинчатых гофрированных элементах турбулизируются, движутся по узким каналам.

У пластинчатых моделей www.teploprofi.com высокое гидросопротивление, низкая стойкость к загрязнениям. Их применяют в отопительных системах, криогенной, пищевой, химической, нефтяной и фармацевтической отрасли.

Запомнить! Выпускаются также пластинчато-ребристые устройства. Они отличаются чередованием ребер плоской и гофрированной формы. Это самые компактные модели. Поэтому их используют при строительстве авиационно-космической техники.

Кожухотрубные ТО

Они имеют вид пучка труб. Его окружает корпус. Это цилиндрический кожух с перегородками. Одна среда перемещается по внутренним трубкам, а другая — между ними. Кожухотрубные теплообменники производят из нержавейки, углеродистой стали, меди. В них теплоносители перемещаются по противоточной, прямоточной или перекрестной схеме. Оборудование также отличаются:

средним коэффициентом передачи тепла от 800 до 2500 Вт/(м²*К);
устойчивостью к давлению до 6 или 10 МПа;
удельной поверхностной площадью от 50 до 100 м²/м³;
рабочей температурой не более 500 ℃;
средней стойкостью к загрязнениям.

Кожухотрубные модели эксплуатирует нефтепереработка, энергетическая отрасль, химическая промышленность.

Спиральное оборудование

Для их изготовления используют два металлических листа. Они изогнуты спиралью, по самоочищаемым каналам которой перемещаются рабочие среды. Спиральные противоточные модели из углеродистой стали, нержавейки, титана отличаются:

промежуточным коэффициентом обмена тепла от 2500 до 3500 Вт/(м²*К);
рабочим давлением не более 2 МПа;
способностью выдерживать температуру до 400 ℃;
удельной площадью от 80 до 120 м²/м³;
высокой устойчивостью к грязи.

Стиральные модели широко применяются при производстве криогенной техники, на нефтеперерабатывающих, целлюлозно-бумажных предприятиях.

Аппараты воздушного охлаждения

Они изготавливаются из углеродистой стали, алюминиевых либо медных сплавов. Обозначаются аббревиатурой АВО и используют для охлаждения воздух. Он подается вентиляторами и проходит через оребренные трубопроводы. АВО перекрестного тока отличаются:

низким коэффициентом теплопередачи от 400 до 1000 Вт/(м²*К);
способностью выдерживать давление максимум 4 МПа;
рабочей температурой до 300 ℃;
стойкостью к загрязнениям;
удельной поверхностной площадью от 10 до 50 м²/м³.

Воздушные теплообменники работают на компрессорных станциях, энергетических, нефтегазоперерабатывающих предприятиях. Их устанавливают регионы, где не хватает водных ресурсов.

ВЫВОД

Универсальных теплообменников, которые оптимальны по всем характеристикам, сегодня не существует. Их подбирают с учетом приоритетных параметров для каждой области применения. При выборе материалов ТОА принимают во внимание степень агрессивности теплоносителей, значение допустимого давления и температуры. Обычно подбор устройств сопровождается технико-экономическим сравнением их типов.