Теплообменник схема: схема, устройство и принцип работы

схема, устройство и принцип работы

Пластинчатые теплообменники представляют собой технические устройства, состоящие из тонких металлических штампованных пластин. С их помощью происходит передача тепловой энергии от горячего теплоносителя к нагреваемой среде. Приборы работают по одинаковому принципу, но отличаются по мощности, материалу изготовления, средней рабочей температуре и виду уплотнителя.

Устройство теплообменника

В устройстве пластинчатого теплообменника задействованы:

• набор рельефных пластин— неподвижных и прижимных;
• патрубки для входа и выхода теплоносителя;
• плиты для стяжки;
• стяжные болты.

Основными деталями являются пластины.  Они нужны для переноса энергии от одного теплоносителя к другому. Их изготавливают штампованием из нержавеющей стали низкой пробы. Затем производят полировку электрохимическим способом. В итоге детали устойчивы к коррозии, могут работать при высокой температуре.

На рисунке представлены пластины разных видов.

В схемах отражена конструкция теплообменника, которая зависит от модели устройства. Количество пластин с закрепленными прокладками для герметизации каналов может быть разным. На них приходится основная нагрузка при работе оборудования, так как детали крепления и рама являются элементами корпуса.

Пластины имеют гофрированную поверхность и рельефную окантовку. Это гарантирует надежное крепление при их сжатии, а также придает конструкции дополнительную жесткость. Подобное строение обеспечивает свободное перемещение жидкости по каналам.

Отличия теплообменников:

• в разборных аппаратах модуль с пластинами находится между прижимными и стационарными элементами, они крепко присоединены с помощью стержней;
• пластины разделяют каучуковые или герметичные уплотнители;
• уплотнители приклеены в специальные отверстия или закреплены шпильками;
• если теплообменник паяный, его детали соединены припоем, обеспечивающим целостность прибора;
• аппарат может быть установлен на пол или несущую конструкцию.

Схема и принцип работы пластинчатого теплообменника

Современные пластинчатые теплообменники эксплуатируются по особой системе. Отделы оборудования по очереди заполняются охлаждаемым и нагреваемым теплоносителем. Для того чтобы его удерживать или пропускать, применяют прокладки-уплотнители. Теплые и холодные массы перемещаются навстречу друг другу.

Пластины имеют высокую теплопередачу за счет эффективной конструкции. При их изготовлении используется специальная разработка «Офф-сет». Ее принцип заключается в создании каналов, располагающихся симметрично и ассиметрично. В результате жидкость распределяется равномерно, а теплоотбор увеличивается. Пластины могут быть двух видов.

1. Жесткое рифление, нанесенное под углом 30 градусов. У таких изделий повышена теплопроводность, но при этом они не могут сдерживать высокого напора жидкости.
2. Мягкое рифление под углом 60 градусов. Пластины имеют пониженную тепловую проводимость, но зато способны выдерживать высокий напор жидкости.

Изменяя пластины внутри теплообменника, можно найти оптимальные способы тепловой отдачи. При этом размер оборудования будет в несколько раз меньше, чем кожохотрубное устройство, но тепломеханические показатели у них одинаковы.

Для правильного подключения такого устройства, как пластинчатый теплообменник, требуется специальная схема:

• F1 — подведение нагревающего теплоносителя;
• F2 — отведение нагретой среды;
• F4 — отведение нагревающего теплоносителя;
• F3 — подведение охлажденной жидкости;
• М — манометр;
• Т — термометр;
• КЗ — кран запорный;
• ФМС — фильтр магнитно-сетчатый;
• КР — клапан регулирующий;
• ФЛ — фланец плоский.

Технические характеристики

Пластинчатые теплообменники могут использоваться для передачи энергии между жидкими и газообразными средами. Устройства применяют в сфере ЖКХ для подогрева воды и отопления многоквартирных домов, на промышленных объектах и электростанциях.

Основные технические характеристики теплообменников с пластинами:

• давление при стандартных условиях работы от 2,5 до 4,0 МРа;
• рабочая температура от -50 до +300 °С;
• прокладки из тонкой листовой меди, Nitrile, Silicone;
• пластины из нержавеющей стали.

Устройство имеет следующие преимущества:

• КПД до 95 %;
• при необходимости мощность устройства легко увеличивается простым добавлением пластин;
• маленькие размеры по сравнению с оборудованием других типов;
• удобство обслуживания — при загрязнении пластины легко очищаются от налета;
• качественная полировка пластин предотвращает появление отложений на их поверхности;
• срок эксплуатации до 25 лет;
• невысокая стоимость ремонта;
• монтировать пластинчатый теплообменник достаточно просто, если есть схема установки.

Материалы, используемые для изготовления

Материал для производства пластинчатого теплообменника должен иметь следующие качества:

• устойчивость к химическому воздействию;
• антикоррозийные свойства;
• стойкость к высокой температуре.

Большинство низкотемпературных элементов для аппаратов изготавливают из малоуглеродистой стали. Для деталей, работающих при высоких температурах, используют жароустойчивую сталь. Она не окисляется при воздействии химических растворов и обладает повышенной прочностью.

Для отдельных узлов пластинчатого теплообменника применяют чугун и цветные металлы. Важно, чтобы материал обладал хорошими качествами для литья и не подвергался коррозии.

Для вентилей и задвижек применяют ковкий чугун, который имеет большую пластичность. Легированный чугун используют для производства деталей, устойчивых к растворам кислот и высокой температуре. Он не окисляется, не изменяет форму при нагреве до 1000 °С.

Цветные металлы и сплавы подходят для корпуса теплообменника. Они обладают высокой тепловой проводимостью и антикоррозийными качествами. Большое распространение получили:

• латунь — сплав на основе меди с добавлением олова;
• бронза — сплав меди, алюминия и цинка.

Для изготовления устройств также применяют неметаллические материалы: каучук, пластмассу, силикон. Они не подвержены агрессивному влиянию окружающей среды, поэтому их используют для производства прокладок и уплотнителей.

Керамические материалы имеют небольшой вес, не распадаются при высокой температуре и обладают хорошей прочностью. Их применяют в качестве теплоизоляционных элементов.

Виды теплообменников

• Разборные пластинчатые теплообменники работают по принципу передачи тепла от горячей жидкости к нагреваемой среде через стальные гофрированные пластины. Они устанавливаются в раму и стягиваются в пакет. Движение жидкости происходит по встречным направлениям, а в местах возможной встречи нагретой и холодной сред находится резиновое уплотнение. Таким образом, исключается смешивание. Все пластины имеют одинаковую форму и размер. Основное преимущество данного вида оборудования в том, что для увеличения мощности достаточно просто добавить нужное количество пластин, для снижения — убрать лишние. Конструкция также дает возможность легко производить промывку деталей и текущий ремонт, поскольку разборка аппарата элементарна.
• Пластинчатый паяный теплообменник относится к самоочищающимся приборам: схема основана на создании сильно турбулизированных потоков. Если применяется загрязненный теплоноситель, можно провести безразборную чистку оборудования с применением химических препаратов. Металл пластин позволяет использовать различные кислоты для промывки. Для соединения пластин между собой применяется метод твердого припоя. Это дает возможность исключить использование уплотняющих прокладок и прижимных плит, что сводит к минимуму риск протечек.
• Сварные и полусварные теплообменники используют в системах холодоснабжения. Фреон, конденсатор или аммиак циркулирует внутри модулей, исключая утечку хладагента. В таком приборе пластины складываются попарно и свариваются с помощью лазера. В результате в конструкции отсутствуют материалы для уплотнения, увеличивается устойчивость к давлению, повышается срок эксплуатации оборудования.

Устройства могут отличаться по типу компоновки. При одноходовой жидкость разделяется на параллельные потоки, движется по каналам и сливается через специальный выход. Пластинчатый многоходовый теплообменник имеет глухие перегородки, поэтому его схема работы более сложная: теплоноситель циркулирует по каналам, совершая разворот.

конструкция, принцип и схема работы, как работают пластинчатые теплообменники

Устройства для передачи температуры с горячей среды на холодную с помощью пластин. Вот что такое пластинчатые теплообменники. Внутри них образованы каналы, по которым движется теплоноситель. Такие модели стали популярными из-за небольших габаритов, малого веса и легкой сборки. Все это позволяет работать с высокой эффективностью.

Конструкция пластинчатых теплообменников

Прежде чем изучать принцип работы, следует разобраться, как устроен теплообменник. Он состоит из двух металлических плит, внутри которых болтами закреплены пластины. Шпильками стягивают камеры с установленными термостойкими прокладками. Это обеспечивает полную герметичность. Каждую вторую пластину переворачивают на 180 градусов, поэтому направление рабочей среды идет как по потоку, так и против него. Итак, вот из чего состоит пластинчатый теплообменник:

1. Рельефные пластины.
2. Уплотнители.
3. Концевые камеры.
4. Стойки для крепления.
5. Стяжные шпильки.

Все вместе напоминает своеобразный коллектор. Крайние пластины не участвуют в передаче тепла. Сначала концевую камеру соединяют со стойками для крепления и шпильками. После этого надевают пакет пластин, вторую камеру и стягивают все болтами.

Принцип работы пластинчатого теплообменника

Горячая среда попадает с одной стороны, а холодная с другой. При этом они протекают по перекрестной схеме. Уплотнители помогают полноценному заполнению, а пластины совершают теплообмен. Подобным образом работают модели для ГВС. Только в качестве рабочей среды здесь выступает вода. Высокий КПД и небольшие габариты конструкции достигаются именно с помощью пластин. Их устройство за счет рельефа позволяет турбулизовать потоки, чтобы получить максимальную теплоотдачу. Если нужно увеличить мощность, добавляют новые пластины. Они изготовлены из стали толщиной 0,5 мм.

Преимущества пластинчатых теплообменников

Схема продумана таким образом, чтобы создать отличные условия для теплопередачи. Поэтому у такого оборудования много достоинств по сравнению с другими типами.

Небольшие габариты

Поверхность, которая передает тепло, составляет 99 % от общей площади. А так как все соединения находятся на одной плате, то и установка получается более простой. Например, если сравнить с кожухотрубными моделями. И это большой плюс, ведь часто при компоновке оборудования решающую роль играет именно размер.

Большой прогрев

Если понять, как работают пластинчатые теплообменники, сразу становится видно их маленькую величину недогрева. Такого эффекта достигают благодаря турбулентности потока и его движению по узким каналам. При этом скорость теплоносителя может быть низкой, так как поверхность гофрированная.

Небольшие потери давления

Постепенное изменение ширины канала снижает гидравлическое сопротивление. Из-за этого насосы не требуют большой мощности, а значит, и расход электроэнергии уменьшается.

Простой ремонт

Любое оборудование со временем выходит из строя. Даже простая чистка иногда вызывает много проблем. Но для ремонта пластинчатого теплообменника не потребуется много сил и времени. Да и все действия достаточно простые. И если планируется увеличить производство, не нужно менять оборудование полностью. Достаточно увеличить количество пластин. А для этого теплообменник даже не придется демонтировать. Все работы проводятся прямо во время эксплуатации.

Технические характеристики

Чтобы теплообменник правильно выполнял свои функции и долго проработал, следует знать его технические характеристики. Ведь в каждой области свои требования к давлению и температуре. Хотя у этой модели показатели достаточно приличные:

1. Выдерживает давление до 2,5 МПа.
2. Работает при температуре от -30 до +200 °C.
3. Диаметр соединений – от 0,2 до 50 см.
4. Максимальная мощность – 150 МВт.

При этом важно понимать, что материал пластин и уплотнений тоже отличается. Для вязкой или водной рабочей среды выбирают нитрильный каучук (NBR). Для химических составов, в которых отсутствуют жиры и минеральные масла, подходит этилен-пропиленовый каучук (EPDM). А если нужно работать с агрессивным теплоносителем, лучше обратить внимание на фтор-каучук (Витон). Пластины же бывают стальными, графитовыми и медными.

Область применения

Существует много сфер, в которых часто применяют пластинчатые теплообменники:

• автопромышленность;
• производство стали и других металлов;
• снижение температуры воды на тепловых электростанциях;
• снижение температуры жидких пищевых продуктов и различных видов масел;
• отопление, водоснабжение и вентиляция;
• разработки в индустрии душевых сеток;
• подогрев воды в бассейнах;
• теплоснабжение многоквартирных домов и районов малой застройки.

Где еще это полезно

Такие теплообменники используют в областях, где важен не только подогрев или охлаждение, но и гигиенические показатели. Устройства востребованы также на атомных электростанциях, в нефтяной и химической промышленности. Ведь пластины с уплотнениями делают из прочных и стойких материалов, поэтому они достаточно надежны. Преимущества и разнообразные способы применения пластинчатых теплообменников позволяют говорить об их практичности и удобстве. Именно поэтому они так популярны для промышленных и бытовых нужд.

Если Вас интересуют пластинчатые теплообменники, обращайтесь в нашу компанию. Мы подберем для Вас отличное соотношение цены и качества.

Принципы работы, устройство и виды теплообменников

Деление по принципу.

Собственно, принцип работы и устройство у каждого вида теплообменников неразрывно связаны, причём – двусторонне:

• принцип, по которому работает тот или иной теплообменник, определяет конфигурацию как минимум некоторых деталей его конструкции; как следствие
• в большинстве случаев даже по внешнему виду теплообменника можно определить базовый принцип его работы.

Рассмотрим связь между тем, как работает теплообменник и тем, как теплообменник выглядит, на конкретных примерах.

Несмотря на то, что конструкция теплообменников, материалы изготовления могут в значительной мере различаться, по принципу работы все теплообменные аппараты делятся всего на три категории:

• рекуперативные;
• регенеративные;
• контактные.

Основное отличие между ними заключается в способе передачи тепловой энергии от одной рабочей среды (теплоносителя) другой среде.

1. Рекуперацией называется процесс, при котором энергия, в данном случае – тепловая, постоянно присутствует в системе. В случае с рекуперативными теплообменными аппаратами это означает следующее: два теплоносителя в одно и то же время двигаются сквозь теплообменник, и тепло передаётся от теплоносителя к теплоносителю через стенки труб, омываемых теплонесущими средами одновременно с двух сторон. Таким образом, несмотря на то, что в процессе один теплоноситель теряет тепло, а другой нагревается, температура стенки труб остаётся в целом неизменной (имеет место рекуперация).

Наличие труб, внутри которых проходит ток одного из теплоносителей, в то время как другой омывает их снаружи, является определяющим признаком для рекуперативного теплообменника. В качестве наиболее простого примера можно привести теплообменник типа «труба в трубе», более сложным по устройству теплообменным аппаратом является кожухотрубный.

Схема 1. Теплообменник типа «труба в трубе».

 

Схема 2. Кожухотрубный теплообменник.2. Регенерацией называется процесс восстановления какого-либо параметра, в данном случае – температурного. В случае регенеративного теплообменника имеется ввиду температура имеющего сложную поверхность конструкционного элемента, называемого «насадкой», отвечающего за передачу тепла между теплоносителями. В отличие от рекуперативных теплообменников, у регенеративных эта передача не является постоянной: насадка попеременно награвается и остывает (имеет место процесс регенерации) благодаря тому, что вначале первый теплоноситель отдаёт тепловую энергию насадке, затем насадка отдаёт тепло второму теплоносителю.

В конструкции регенеративного теплообменника также, как и у рекуперативного, могут присутствовать трубы – для подвода и отвода теплоносителей. Но определяющим признаком регенеративного теплообменного аппарата является наличие механизма, ответственного за повторение цикла контакта «первый теплоноситель >> насадка», «насадка >> второй теплоноситель». В качестве примера можно привести регенеративный теплообменник роторного типа, у которого насадка в виде нескольких секторов гофрированной металлической ленты закреплена во вращающемся барабане.

Схема 3. Регенеративный теплообменник роторного типа.3. Название категории контактных теплообменников говорит само за себя: в их конструкции отсутствуют «промежуточные агенты» в виде стенок труб рекуперативных теплообменников или насадки в регенеративных; передача тепловой энергии осуществляется при непосредственном контакте теплоносителей.

Определяющим признаком устройства таких теплообменных аппаратов является наличие отсека, в котором происходит контакт теплонесущих сред. При этом, размер отсека должен быть достаточно ощутимым, чтобы площадь контакта обеспечивала необходимую эффективность теплопередачи. Наиболее простым примером можно назвать контактный теплообменник типа жидкость – газ или вода – воздух, в котором теплообмен (охлаждение или подогрев) происходит без смешивания этих теплоносителей.

Схема 4. Простейший контактный теплообменник.Одним из наиболее распространенных типов контактных теплообменников являются градирни, называемые также охладительными башнями и используемые для охлаждения значительных объёмов горячей воды. Принцип из действия заключается в пропускании воздушной массы сквозь распыляемые форсунками мелкодисперсные водяные капли; в результате за счёт испарения определённого количества влаги и конвективного теплообмена между водой и воздухом происходит эффективное охлаждение. Охлаждённая вода собирается водоулавливателем и направляется в резервуар внизу градирни.

Крупные градирни широко используются в составе оборудования тепловых электростанций и ТЭЦ.

Схема 5. Принцип работы градирни на тепловой электростанции.АО «ЦЭЭВТ» разрабатывает и производит теплообменные аппараты различных типов по индивидуальным заказам. В каждом конкретном случае учитывается предполагаемая схема подключения теплообменника, назначение теплообменного аппарата (работа в качестве подогревателя или охладителя,  конденсатора,  испарителя и т.д.), расчётная эффективность теплового обмена и все иные параметры, имеющие значение для максимального соответствия будущим условиям эксплуатации.

Пластинчатый теплообменник ГВС: схема обвязки и расчет

Обеспечить себе в доме или квартире горячее водоснабжение можно многими способами и непосредственный нагрев, например прямоточным электронагревателем или бойлером – не самый эффективный способ. В простоте и надежности отлично зарекомендовал себя пластинчатый теплообменник ГВС. Если есть источник тепла, например автономное отопление или даже централизованное, то тепло для нагрева воды вполне разумно взять от них, не тратя дорогостоящее электричество для этих целей.

Устройство и принцип работы

Пластинчатый теплообменник (ПТО) обеспечивает переход тепла от нагретого теплоносителя холодному, при этом не перемешивая их, развязывая два контура между собой. Теплоносителем может быть пар, вода или масло. В случае с горячим водоснабжением чаще источником тепла является теплоноситель системы отопления, а нагреваемой средой – холодная вода.

Конструктивно теплообменник представляет собой группу гофрированных пластин, собранных параллельно друг другу. Между ними образуются каналы, по которым течет теплоноситель и нагреваемая среда, притом послойно они чередуются между собой, не перемешиваясь при этом. За счет чередования слоев, по которым текут жидкости обоих контуров, увеличивается площадь теплообмена.

Схема работы теплообменника

Гофрирование чаше выполняется в виде волн, притом ориентированных так, чтобы каналы одного контура располагались под углом к каналам второго контура.

Подключение входов и выходов делаются так, чтобы жидкости текли навстречу друг другу.

Поверхность и материал пластин подбирается исходя из требуемой мощности теплообмена, вида теплоносителя. В особенно эффективных и продуманных теплообменниках поверхность формуется для возбуждения завихрений возле поверхности пластины, повышая теплообмен, не создавая сильного сопротивления общему току.

Теплообменник включается между двумя контурами:

1. Последовательно к системе отопления или параллельно с наличием регулирующей арматуры.
2. К входу от холодного водопровода и выходом к потребителю ГВС.

Холодная вода, протекая через теплообменник нагревается за счет тепла от системы отопления до требуемой температуры и подается на кран потребителя.

Основные характеристики пластинчатого теплообменника:

• Мощность, Вт;
• Максимальная температура теплоносителя, оС;
• Пропускная способность, производительность, литры/час;
• Коэффициент гидравлического сопротивления.

Мощность зависит от общей площади теплообмена, перепада температур в обоих контурах между входов и выходом и даже от числа пластин.

Максимальная температура задается подбором материалов и способом соединения пластин и корпуса теплообменника.

Пропускная способность повышается с увеличением числа пластин, так как они подключаются фактически параллельно, то каждая новая пара пластин добавляет дополнительный канал для тока жидкости.

Коэффициент гидравлического сопротивления важен при расчете нагрузки на систему отопления, где от этого зависит выбор циркуляционного насоса, немаловажен и для других источников тепла. Зависит от типа гофрирования пластин и размера сечения каналов и их количества.

Именно по этим параметрам подбирается в итоге теплообменник для конкретной ситуации. Чаще всего пластинчатые теплообменники имеют разборную конструкцию, в которой можно наращивать или уменьшать число пластин и выбирать их тип и размер. Мощность и производительность теплообменника должно хватать для того, чтобы нагреть проточную холодную воду, и при этом не создать критической нагрузки на систему отопления.

Для наиболее востребованных случаев, каким является обеспечение горячей водой частного хозяйства, дома или квартиры производятся готовые теплообменники с постоянными характеристиками.

Расчет

Выбор подходящего теплообменника сложно выполнить, оперируя только одной лишь его мощностью или пропускной способностью. Эффективность подготовки ГВС зависит и от состояния теплоносителя в первом контуре и во втором, от материала и конструкции теплообменника, скорости и массовой части теплоносителя, проходящего в единицу времени через пластинчатый теплообменник. Однако, естественно следует предварительно выполнить расчет, позволяющий прийти к определенному сочетанию мощности и производительности для выбора подходящей модели.

Базовые данные необходимые для расчета:

• Тип среды в обоих контурах (вода-вода, масло-вода, пар-вода)
• Температура теплоносителя в системы отопления;
• Максимально допустимое снижение температуры теплоносителя после прохождения теплообменника;
• Начальная температура воды, используемой для ГВС;
• Требуема температура ГВС;
• Целевой расход горячей воды в режиме максимального потребления.

Кроме этого в формулах для расчета задействована удельная теплоемкость жидкости в обоих контурах. Для ГВС используется табличное значение для начальной температуры воды, чаще +20оС, равное 4,182 кДж/кг*К. Для теплоносителя следует отдельно находить значение удельной теплоемкости, если в его составе имеется антифриз или другие присадки для улучшения его качеств. Аналогично для централизованного отопления берется приблизительное значение или фактическое на основании данных теплокоммунэнерго.

Целевой расход определяется количеством пользователей для горячей воды и количеством устройств (краны, посудомоечная и стиральная машинка, душ), где она будет использована. Согласно требованиям СНиП 2.04.01-85 необходимы следующие значения расхода горячей воды:

• для раковины – 40 л/ч;
• ванная – 200 л/ч;
• душевая – 165 л/ч.

Значение для раковины умножается на количество устройств в доме, которые могут использоваться параллельно, и складывается со значением для ванны или душевой в зависимости от того, что именно используется. Для посудомоечной и стиральной машинки значения берутся из паспорта и инструкции и только при условии, что они поддерживают использование горячей воды.

Второе базовое значение – это мощности теплообменника. Рассчитывается исходя из полученного значения расхода жидкости и разницы температур воды на входе в теплообменник и на выходе.

P = m * С *Δt,

где m – расход воды, С – удельная теплоемкость, Δt – разница температур воды на входе и выходе ПТО.

Для получения массового расхода воды следует расход, выраженный в л/ч умножить на плотность воды 1000 кг/м3.

КПД теплообменников оценивается на уровне 80-85%, и многое зависит от конструкции самого оборудования, так что полученное значение следует разделить на 0,8(5).

С другой стороны ограничением по мощности будет расчет, выполненный со стороны первого контура с теплоносителем, где, используя уже разницу допустимых температур для системы отопления, получаем максимально допустимый забор мощности. Конечный результат будет компромиссом между двумя полученными значениями.

Если забора мощности для нагрева нужного количества горячей воды не хватает, то разумнее использовать две ступени подогрева и, соответственно, два теплообменника. Мощность распределяется между ними поровну от требуемого расчета. Одна ступень выполняет предварительный нагрев, используя в качестве источника тепла обратку отопления с пониженной температурой. Второй ПТО уже нагревает окончательно воду за счет горячей воды с подачи отопления.

Схема обвязки

Подключают теплообменник к системе отопления несколькими способами. Самый простой вариант с параллельным включением и наличием регулировочного клапана, работающего от термоголовки.

Обязательными являются запорные шаровые вентили на всех выводах теплообменника, чтобы иметь возможность полностью перекрыть доступ жидкости и обеспечить условия для демонтажа оборудования. Регулировкой мощности и, соответственно, нагревом горячей воды должен заниматься клапан с управлением от термоголовки. Клапан устанавливается на подводящую трубу от отопления, а датчик температуры на выход контура ГВС.

При цикличной организации ГВС с наличием накопительной емкости устанавливается дополнительно тройник на входе нагреваемого контура для включения холодной водопроводной воды и обратки по ГВС. Избежать ненужного тока в обратном направлении в ветке горячей и холодной воды не даст обратный клапан.

Недостатком этой схемы является сильно завышенная нагрузка на систему отопления и неэффективный нагрев воды во втором контуре при большем перепаде температур.

Гораздо продуктивнее и надежнее работает схема с двумя теплообменниками, двухступенчатая.

1 – пластинчатый теплообменник; 2 – регулятор температуры прямого действия: 2.1 – клапан; 2.2 – термостатический элемент; 3 – циркуляционный насос ГВС; 4 – счетчик горячей воды; 5 – электро-контактный манометр (защита от «сухого хода»)

Идея заключается в использовании двух теплообменников. В первой ступени используется с одной стороны обратка системы отопления, а с другой холодная вода из водопровода. Это дает предварительный нагрев примерно на 1/3 или половину от необходимой температуры, при этом не страдает обогрев дома. Включение контура выполняется последовательно с байпасом, на котором уже закреплен игловой вентиль, с помощью которого регулируется объем теплоносителя.

Второй ПТО, вторая ступень, подключаемая параллельно системе отопления – это с одной стороны подача горячего теплоносителя от котла или котельной, а с другой уже подогретая на первой ступени вода ГВС.

Регулировкой первой ступени заниматься нет нужды. Устанавливаются лишь шаровые вентили на все четыре отвода и обратный клапан на подачу холодной воды.

Обвязка второй ступени идентичная параллельному подключению за исключением того, что вместо холодной воды подключается уже подогретая вода с первой ступени.

Пластинчатые теплообменники: типы, принцип работы, конструкция

Назначение

Пластинчатые теплообменники – это устройства, используемые для передачи тепловой энергии от одного (более горячего) потока к другому (более холодному) потоку через разделяющие их тонкие металлические пластины, которые стягиваются прижимными плитами, образуя единую конструкцию.

Пластинчатые теплообменники повышают энергоэффективность, потому что энергия потоков, уже находящихся в системе, может быть передана в другую часть процесса, а не просто потрачена впустую. В новую эру устойчивого развития растущая настоятельная необходимость экономии энергии и снижения общего воздействия на окружающую среду сделала больший акцент на использовании теплообменников с более высокой тепловой эффективностью. В этом новом сценарии пластинчатый теплообменник может сыграть важную роль.

История

Пластинчатые теплообменники были впервые введены в 1923 году для пастеризации молока, но в настоящее время используются во многих областях применения в химической, нефтяной, климатической, холодильной, молочной, фармацевтической, пищевой и медицинской промышленности. Это связано с их уникальными преимуществами, такими как гибкая тепловая конструкция (пластины могут быть просто добавлены или удалены для удовлетворения различных требований к тепловому режиму или обработке), простота очистки для поддержания строгих гигиенических условий, хороший контроль температуры (необходимый в криогенных процессах) и лучшие характеристики теплопередачи.

Типы пластинчатых теплообменников

Пластинчатый теплообменник (ПТ) – это компактный тип теплообменника, который использует серию тонких пластин для передачи тепла между двумя жидкостями. Существует четыре основных типа ПТ:

• разборные,
• паяные,
• сварные
• полусварные.

Пластинчатый разборный теплообменник – устройство, в котором основную функцию теплопередачи между теплоносителями выполняет пакет пластин. Среды не смешиваются между собой благодаря чередованию пластин с плотными резиновыми прокладками, которые образуют два контура движения (рисунок 1).

Рисунок 1 – Разборные пластинчатые теплообменники

 

Свое название «разборные» подобный тип агрегатов получил за то, что пакет пластин не только собирается, но и разбирается во время регулярного обслуживания (промывки) или ремонта.

Конструкция разборного теплообменника

Разборный теплообменник состоит из следующих элементов:

Рисунок 2 – Конструкция пластинчатого теплообменнника

ПТ состоит из:

• пакета тонких прямоугольных пластин с отверстиями, через которые протекают два потока жидкости, где происходит теплопередача. Пластины теплообменного аппарата, выполнены из нержавеющей стали или титана, прижимаются друг к другу с использованием уплотнительных прокладок. Количество пластин зависит от технических параметров и требований к оборудованию.
• рамная пластина (неподвижная прижимная плита),
• прижимная пластина (подвижная прижимная плита), прижимает весь пакет к неподвижной прижимной плите с помощью элементов крепления: стяжных болтов, подшипников, стопорных шайб.
• несущая база – направляющая балка, на которую надеваются пластины во время сборки агрегата.
• опорная станина – вертикальный элемент, к которому прикрепляются направляющие балки (верхняя и нижняя несущие балки).
• верхние и нижние стержни и винты для сжатия пакета пластин.

Индивидуальный пластинчатый теплообменник может вместить до 700 пластин. Когда пакет пластин сжимается, отверстия в углах пластин образуют непрерывные туннели или коллекторы, через которые текучие среды проходят, пересекая пакет пластин и выходя из оборудования. Промежутки между тонкими пластинами теплообменника образуют узкие каналы, которые попеременно пересекаются горячей и холодной жидкостями и обеспечивают небольшое сопротивление теплопередаче.

Типовые пластины и прокладки

Пластины

Самая важная и самая дорогая часть ПТ – это его термические пластины, которые изготавливаются из металла, металлического сплава или даже специальных графитовых материалов, в зависимости от области применения.

Примеры материалов для изготовления ПТ, обычно встречающиеся в промышленном применении:

• нержавеющая сталь,
• титан,
• никель,
• алюминий,
• инколой,
• хастеллой,
• монель,
• тантал.

Пластины могут быть плоскими, но в большинстве случаев имеют гофры, которые оказывают сильное влияние на теплогидравлические характеристики устройства. Некоторые из основных типов пластин показаны на рисунке 3, хотя большинство современных ПТ используют шевронные типы пластин.

Рисунок 3 – Типичные категории пластинчатых гофр: (а) стиральная доска, (б) зигзагообразная, (в) шевронная или елочка, (г) выступы и углубления, (д) стиральная доска со вторичными гофрами, (е) косая стиральная доска.

Каналы, образованные между соседними пластинами, создают закрученное движение для жидкостей, как видно на рисунке 4.

Рисунок 4 – Турбулентный поток в каналах пластинчатого теплообменника

Угол шеврона обращен в смежных листах, так что, когда пластины затягиваются, гофры обеспечивают многочисленные точки контакта, которые поддерживают оборудование. Уплотнение пластин достигается прокладками, установленными по периметру.

Рисунок 5 – Технические характеристики пластин

Прокладки

Прокладки обычно представляют собой формованные эластомеры, выбранные на основе их совместимости с жидкостью и условий температуры и давления. Многопроходные устройства могут быть реализованы в зависимости от расположения прокладок между пластинами. Бутиловые или нитрильные каучуки – это материалы, обычно используемые при изготовлении прокладок.

Рисунок 6 – Технические характеристики прокладок

Схемы движения потоков в пластинчатом теплообменнике

Однопроходная схема

Простейшие схемы пластинчатых теплообменников – это те, в которых обе жидкости делают только один проход, поэтому нет никакого изменения направления потоков. Они известны как однопроходные схемы 1-1, и есть два типа: противоточные и параллельные. Большим преимуществом однопроходной компоновки является то, что входы и выходы жидкости могут быть установлены в неподвижной пластине, что позволяет легко открывать оборудование для технического обслуживания и очистки, не нарушая работу трубопроводов. Это наиболее широко используемая однопроходная конструкция, известная как U-образная компоновка. Существует также однопроходная Z-схема, в которой имеется вход и выход жидкости через обе торцевые пластины (рисунок 9).

Рисунок 9 – Механизм работы однопроходного ПТ: а) U-образное расположение и Б) Z-образное расположение.

Противоточный поток, где потоки текут в противоположных направлениях, обычно предпочтительнее из-за достижения более высокой тепловой эффективности, по сравнению с параллельным потоком, где потоки текут в одном направлении.

Многопроходная схема

Многопроходные устройства могут также использоваться для повышения теплопередачи или скорости потока потоков и обычно требуются, когда существует существенная разница между расходами потоков (рисунок 10).

Рисунок 10 – Многопроходный пластинчатый теплообменник

Пластины ПТ могут обеспечивать вертикальный или диагональный поток, в зависимости от расположения прокладок. Для вертикального потока вход и выход данного потока расположены на одной стороне теплообменника, тогда как для диагонального потока они находятся на противоположных сторонах. Сборка пакета пластин включает чередование пластин “а” и “в” для соответствующих потоков. Монтаж пакета пластин в режиме вертикального потока требует только соответствующей конфигурации прокладок, поскольку устройства А и в эквивалентны (они поворачиваются на 180°, как показано на рисунке 11а). Это невозможно в случае диагонального потока, для которого требуются оба типа монтажных пластин (рисунок 11б). Плохое распределение потока с большей вероятностью происходит в массиве вертикального потока.

Рисунок 11 – (a) пластина с вертикальным потоком,  (б) пластина с диагональным потоком

Достоинства и недостатки

Достоинства

1. Гибкость: простая разборка позволяет адаптировать ПТ к новым технологическим требованиям путем простого добавления или удаления пластин, или изменения количества проходов. Кроме того, разнообразие моделей пластинчатых гофр, доступных вместе с возможностью использования их комбинаций в одном и том же ПТ, означает, что различные конформации блока могут быть протестированы в ходе процедур оптимизации.
2. Хороший контроль температуры: благодаря узким каналам, образованным между соседними пластинами, в ПТ содержится лишь небольшой объем жидкости. Таким образом, устройство быстро реагирует на изменения технологических условий с коротким временем запаздывания, так что температура легко контролируется. Это важно, когда необходимо избегать высоких температур. Кроме того, форма каналов уменьшает возможность возникновения застойных зон (мертвого пространства) и зон перегрева.
3. Низкая стоимость производства: поскольку пластины только спрессовываются (или склеиваются) вместе, а не свариваются, производство ПТ может быть относительно недорогим. Для изготовления пластин могут быть использованы специальные материалы, чтобы сделать их более устойчивыми к коррозии и/или химическим реакциям.
4. Эффективная теплопередача: гофры пластин и малый гидравлический диаметр усиливают образование турбулентного потока, так что для жидкостей можно получить высокие скорости теплопередачи. Следовательно, до 90% тепла может быть восстановлено, по сравнению только с 50% в случае кожухотрубных теплообменников.
5. Компактность: высокая тепловая эффективность ПТ означает, что они имеют очень малую площадь. При той же площади теплопередачи ПТ часто могут занимать на 80% меньшую площадь (иногда в 10 раз меньше), чем кожухотрубные теплообменники (Рисунок 7).
6. Уменьшение загрязнения: уменьшение загрязнения происходит в результате сочетания высокой турбулентности и короткого времени пребывания жидкости. Поправочные коэффициенты на загрязнения для ПТ могут быть в десятки раз ниже, чем для кожухотрубных теплообменников.
7. Простота осмотра и очистки: поскольку компоненты PHE могут быть разделены, можно очистить и проверить все детали, которые подвергаются воздействию жидкостей. Эта особенность необходима в пищевой и фармацевтической промышленности.
8. Простое обнаружение утечек: прокладки имеют вентиляционные отверстия (рисунок 8), которые предотвращают смешивание жидкостей в случае отказа, что также облегчает обнаружение утечек.

Рисунок 7 – Иллюстрация типичной разницы размеров между ПТ и кожухотрубным теплообменником для заданной тепловой нагрузкиРисунок 8 – Вентиляционные каналы в прокладках для обнаружения возможных утечек

Недостатки

1. Ограничения температуры и давления: важное ограничение ПТ связано с пластинчатыми прокладками. Давление и температура, превышающие 25 атм и 160 °С соответственно, недопустимы, поскольку они могут привести к утечке стандартных прокладок. Однако прокладки, изготовленные из специальных материалов, выдерживают температуру до 400 °С, и есть возможность приварить или припаять пластины друг к другу, чтобы работать в более тяжелых условиях. Это имело бы дополнительные преимущества увеличения эксплуатационных пределов, а также возможность работы с агрессивными жидкостями, поскольку это исключило бы необходимость в прокладках. Однако ПТ утратит свои основные преимущества гибкости и простоты очистки, а оборудование станет более дорогим.
2. Высокий перепад давления: из-за гофрированных пластин и небольшого пространства потока между ними перепад давления из-за трения высок, что увеличивает затраты на перекачку. Падение давления может быть уменьшено путем увеличения числа проходов за проход и разделения потока на большее число каналов. Это уменьшает скорость потока в канале, следовательно, уменьшая коэффициент трения. Однако коэффициент конвективной теплопередачи также снижается, что снижает эффективность работы теплообменника.
3. Фазовый переход: в особых случаях ПТ могут использоваться в операциях конденсации или испарения, но не рекомендуются для газов и паров из-за ограниченного пространства внутри каналов и ограничений давления.
4. Типы жидкостей: обработка жидкостей, которые являются высоковязкими или содержат волокнистый материал, не рекомендуется из-за высокого перепада давления и проблем распределения потока внутри ПТ. Следует также учитывать совместимость между жидкостью и материалом прокладки. Следует избегать легковоспламеняющихся или токсичных жидкостей из-за возможности утечки.
5. Утечка: трение между металлическими пластинами может вызвать износ и образование небольших отверстий, которые трудно обнаружить. В качестве меры предосторожности рекомендуется нагнетать технологическую жидкость под давлением, чтобы уменьшить риск загрязнения в случае утечки из пластины.

Теплообменник ГВС, горячее водоснабжение от любого источника тепла

 Организация горячего водоснабжения является одним из основных условий комфортной жизни. Существует множество различных установок и систем для подогрева воды в домашней сети ГВС, однако одним из наиболее эффективных и экономичных считается метод нагрева воды от сети отопления.

 Теплообменник для горячей воды подбирается индивидуально, исходя из запросов владельца и возможностей отопительного оборудования. Правильный расчет и грамотный монтаж системы позволят вам навсегда забыть про перебои в горячем водоснабжении.

Применение пластинчатого теплообменника для ГВС

 Нагрев воды от теплосети полностью обоснован с экономической точки зрения – в отличие от классических водонагревательных котлов, использующих газ или электроэнергию, теплообменник работает исключительно на отопительную систему. В результате конечная стоимость каждого литра горячей воды оказывается для домовладельца на порядок ниже.

Пластинчатый теплообменник для горячего водоснабжения использует тепловую энергию теплосети для нагрева обычной водопроводной воды. Нагреваясь от пластин теплообменника, горячая вода поступает к точкам водоразбора – кранам, смесителям, душевую в ванной комнате и пр.

 Важно учитывать, что вода-теплоноситель и нагреваемая вода никак не контактируют в теплообменнике: две среды разделены пластинами теплообменного аппарата, через которые осуществляется теплообмен.

Использовать воду из системы отопления в бытовых нуждах напрямую нельзя – это нерационально и зачастую даже вредно:

• Процесс водоподготовки для котельного оборудования – достаточно сложная и дорогая процедура. 
• Для умягчения воды часто используются химические реагенты, которые негативно сказываются на здоровье.
• В трубах отопления с годами скапливается колоссальный объем вредных отложений.

 Однако использовать воду отопительной системы косвенно никто не запрещал – теплообменник ГВС обладает достаточно высоким КПД и полностью обеспечит вашу потребность в горячей воде.

Типы теплообменников для систем ГВС

Среди множества типов различных теплообменников в бытовых условиях используются только два – пластинчатые и кожухотрубные. Последние практически исчезли с рынка вследствие больших габаритов и низкого КПД.

Пластинчатый теплообменник ГВС представляет собой ряд гофрированных пластин на жесткой станине. Все пластины идентичны по размерам и конструкции, но следуют в зеркальном отражении друг к другу и разделяются специальными прокладками – резиновыми и стальными. В результате строгого чередования между парными пластинами образуются полости, которые заполняются теплоносителем или нагреваемой жидкостью – смешение сред полностью исключено. Через направляющие каналы две жидкости движутся навстречу друг другу, заполняя каждую вторую полость, и так же, по направляющим, выходят из теплообменника отдав/получив тепловую энергию.

Чем выше количество или размер пластин в теплообменнике – тем больше площадь полезного теплообмена и выше производительность теплообменника. У многих моделей на направляющей балке между станиной и запорной (крайней) плитой остается достаточно пространства, чтобы установить несколько плит аналогичного типоразмера. В этом случае дополнительные плиты всегда устанавливаются парами, иначе потребуется менять направление «вход-выход» на запорной плите.

Схема и принцип работы пластинчатого теплообменника ГВС

Все пластинчатые теплообменники можно разделить на:

• Разборные (состоят из отдельных плит)
• Паяные (герметичный корпус, не разборные)

Преимущество разборных теплообменников заключается в возможности их доработки (добавление или удаление пластин) – в паяных моделях эта функция не предусмотрена. В регионах с низким качеством водопроводной воды такие теплообменники можно разбирать и очищать от мусора и отложений вручную. 

Более высокой популярностью пользуются паяные пластинчатые теплообменники – из-за отсутствия зажимной конструкции они имеют более компактные размеры, чем разборная модель аналогичной производительности. Компания «МСК-Холод» производит подбор и продажу паяных пластинчатых теплообменников ведущих мировых брендов — Alfa Laval, SWEP, Danfoss, ONDA, KAORI, GEA, WTT, Kelvion (Кельвион Машимпэкс), Ридан. У нас вы можете купить теплообменник ГВС любой производительности для частного дома и квартиры.

Преимущество паяный теплообменников в сравнении с разборными

• Небольшие габариты и вес
• Более строгий контроль качества
• Продолжительный срок службы
• Устойчивость к высоким давлениям и температурам

Очистка паяных теплообменников выполняется безразборным методом. Если по истечении определенного периода эксплуатации начали снижаться теплотехнические характеристики, то в аппарат на несколько часов заливается раствор реагента, удаляющего все отложения. Перерыв в работе оборудования составит не более 2-3 часов.

Схемы подключения теплообменника ГВС

Теплообменник вода-вода имеет несколько вариантов подключения. Первичный контур всегда подключается к распределительной трубе теплосети (городской или частной), а вторичный – к трубам водоснабжения. В зависимости от проектного решения можно использовать параллельную одноступенчатую схему ГВС (стандартная), двухступенчатую смешанную или двухступенчатую последовательную схему ГВС.

Схема подключения определяется согласно нормам «Проектирования тепловых пунктов» СП41-101-95. В случае, когда соотношение максимального потока тепла на ГВС к максимальному потоку тепла на отопление (QГВСmax/QТЕПЛmax) определяется в границах ≤0,2 и ≥1 за основу принимается одноступенчатая схема подключения, если же соотношение определяется в пределах 0,2≤ QГВСmax/QТЕПЛmax ≤1, то в проекте используется двухступенчатая схема подключения.

Стандартная

Параллельная схема подключения считается наиболее простой и экономичной в реализации. Теплообменник устанавливается последовательно относительно регулирующей арматуры (запорного клапана) и параллельно теплосети. Для достижения высокого теплообмена системе требуется большой расход теплоносителя.

Двухступенчатая

При использовании двухступенчатой схемы подключения теплообменника нагрев воды для ГВС осуществляется либо в двух независимых аппаратах, либо в установке-моноблок. Вне зависимости от конфигурации сети схема монтажа значительно усложняется, но значительно повышается КПД системы и снижается расход теплоносителя (до 40%).

Подготовка воды выполняется в два этапа: на первом используется тепловая энергия обратного потока, которая нагревает воду примерно до 40°С. На втором этапе вода подогревается до нормированных показателей 60°С.

Двухступенчатая смешанная система подключения выглядит следующим образом:

Двухступенчатая последовательная схема подключения:

Последовательную схему подключения можно реализовать в одном теплообменном аппарате ГВС. Этот тип теплообменника более сложное устройство в сравнение со стандартными и стоимость его порядком выше.

Расчет теплообменника для ГВС

При расчете теплообменника ГВС учитываются следующие параметры:

• Количество жильцов (пользователей)
• Нормативный суточный расход воды на одного потребителя
• Максимальная температура теплоносителя в интересующий период
• Температура водопроводной воды в указанный период
• Допустимые теплопотери (нормативно – до 5%)
• Количество точек водозабора (краны, душ, смесители)
• Режим эксплуатации оборудования (постоянный/периодический)

Производительность теплообменника в городских квартирах (подключение к муниципальной теплосети) зачастую рассчитывается исключительно по данным зимнего периода. В это время температура теплоносителя достигает 120/80°С. Однако в весенне-осенний период показатели могут упасть до 70/40°С, в то время, как температура воды в водопроводе остается критично низкой. Поэтому расчет теплообменника желательно проводить параллельно для зимнего и весенне-осеннего периодов, при этом никто не может дать гарантии, что расчеты окажутся на 100% верны – ЖКХ нередко «пренебрегают» общепринятыми стандартами обслуживания потребителей.

В частном секторе, при монтаже теплообменника к собственной системы отопления, точность расчета на ступень выше: вы всегда уверены в работе своего котла и можете указать точную температуру теплоносителя.

Наши специалисты помогут вам выполнить правильный расчет теплообменника для ГВС и подобрать наиболее подходящую модель. Расчет выполняется бесплатно и занимает не более 20 минут – укажите свои данные и мы вышлем вам результат.

Теплообменники ГВС

Пластинчатый теплообменник для отопления — схема устройства.

Жми!

Само понятие «теплообменник» говорит о том, что устройство осуществляет теплообмен, передавая тепловую энергию от теплоносителя.

В соответствии с областью применения пластинчатый теплообменник может иметь размер от нескольких десятков сантиметров, до нескольких метров.

Какие бывают

Пластинчатые теплообменники отличаются методом сборки:

• разборные;
• паяные;
• сварные и полусварные.

Пластины выполняют главную функцию, возложенную на теплообменник. Они имеют контакт со средами, где должна изменяться температура.

Пластины внутри теплообменника имеют не плоскую, а рельефную форму. В зависимости от формы рельефа увеличивается площадь теплообмена.

Стандартные пластины имеют симметричный рельеф:

1. Рифление под углом в 30^о называют жестким. Оно обеспечивает высокий коэффициент теплообмена, но при этом теряется давление.
2. Рифление в 120^о обеспечивает меньшие потери давления, но при этом и теплообмен происходит медленнее.
3. Пластины со средним каналом имеют рифление под углом в 60^о.
4. Существуют пластины, имеющие комбинированный рельеф, с так называемым узором елочкой, дающий разные конфигурации каналов.

В один теплообменник вставляются пластины с несколькими типами рифления каналов, что обеспечивает более высокую эффективность всего агрегата.

Подробнее о классификации и предназначении теплообменников можно узнать отсюда: https://teplo.guru/elementy/ustroistva/teploobmenniki-dlya-otopleniya.html

Внутренняя организация

Внутреннее устройство (нажмите для увеличения)

Основу разборного теплообменника составляет рама, состоящая из неподвижной и прижимной плит, задней стойки и двух направляющих планок. Верхняя направляющая соединяет заднюю стойку с неподвижной плитой.

Внутри рамной конструкции установлен пакет пластин, количество которых может варьироваться. Разборные теплообменные агрегаты позволяют устанавливать в них различное количество пластин, поэтому их рамы выпускаются разных размеров. На схеме показано, как устроен пластинчатый теплообменник, и как происходит движение теплоносителей.

В разборных пластинчатых теплообменниках пакет с пластинами располагается между неподвижной и прижимной плитами, и прижат к неподвижной плите при помощи резьбовых шпилек. Пластины отделены друг от друга пластичными, обеспечивающими герметизацию, резиновыми или полимерными уплотнителями. Уплотнительные прокладки в разных моделях теплообменников либо приклеиваются в специальных пазах, либо крепятся к пластине клипсовыми зажимами.

В паяных пластинчатых теплообменниках пластины соединяются между собой твердым припоем, благодаря чему отпадает необходимость в прижимных плитах и прокладках-уплотнителях. Припой скрепляет пластины между собой и обеспечивает герметизацию, благодаря чему повышается сопротивляемость высокому давлению, создаваемому между пластинами, и обеспечивается оптимальное КПД теплообмена. В сравнении с аналогичными разборными устройствами, паяные пластинчатые теплообменники имеют меньший вес и габариты.

В сварных пластинчатых теплообменниках между пластинами имеется большое количество точек сварки, обеспечивающих повышенную герметизацию. Такие теплообменники применяются для теплоносителей, которые химически агрессивны, или работают под давлением от 100 барелей и выше. В теплообменниках, взаимодействующих с разными по химическому составу средами, могут применяться пластины из различающихся металлов и марок сталей.

В полусварном пластинчатом теплообменнике пластины сварены попарно, а между парами пластин проложены резиновые или полимерные прокладки. Такое устройство пластин обеспечивает эффективность теплообменников, применяемых для охлаждения химически агрессивных теплоносителей.

Пластины штампуются из нержавеющих сталей, сходных с российской маркой 08Х18Н10Т. Затем полируются. Толщина стального листа в пластине зависит от рабочего давления в теплообменнике и может составлять 0,4-1 мм.

Принцип работы

К корпусу теплообменника подведены трубы (или трубки) – в зависимости от объема теплоносителя и размеров теплообменника.

Принцип работы теплообменника основывается на движении теплоносителя по каналам, образованным рельефной конструкцией пластин. При этом они не смешиваются друг с другом.

Таким образом, соприкасаясь с металлом пластины, одна среда отдает тепловую энергию, а другая, напротив, ее забирает. Благодаря этому перемещению теплоносителей происходит нагревание одного и охлаждение другого носителя тепловой энергии.

Где применяются

Пластинчатые теплообменники применяются не только как нагревательные устройства, но и для охлаждения. В качестве нагревающих приспособлений пластинчатые теплообменники применяются:

Охлаждающее свойство теплообменников применяется в самых различных областях экономики:

• в энергетике;
• пищевой отрасли;
• в машино- и автомобилестроении;
• в сталелитейной индустрии и т.д.

Теплообменники нашли широкое применение и в бытовых приборах, которыми мы пользуемся повседневно.

Испарители

Испаритель — устройство, действие которого основано на принципе теплообменника.

В нем осуществляется переход жидкости в газообразное или парообразное состояние вследствие повышения температуры. Пластинчатая конструкция испарителя, как показывает практика, более эффективна и компактна, чем кожухотрубная.

Основная сфера применения пластинчатых испарителей – холодильные установки и машины, в которых осуществляется охлаждение:

• технологических жидкостей;
• воздуха и газообразных смесей;
• пара с целью конденсации воды.

[warning]Важно знать: для того чтобы кондиционер работал стабильно на протяжении многих лет, необходимо следить за чистотой испарителя. В противном случае на нем образуется «шуба» из пыли и грязи, и он перестает выполнять свою охлаждающую функцию. А это может привести к перегреву механизмов кондиционера и его выходу из строя.[/warning]

Другими словами, испарители применяются в промышленных и бытовых холодильниках, кондиционерах и сплит-системах.

Рекуператор воздуха

Рекуператор воздуха устроен по принципу теплообменника. В нем встречаются два воздушных потока — приточный и вытяжной.

Они обмениваются тепловой энергией, в результате в помещение поступает прогретый и подсушенный воздух, а уходит воздух несколько охлажденный. В летнее время все происходит наоборот.

Слово рекуператор образовалось от латинского «recuperatio», и в переводе означает «возвращать». Рекуператоры воздуха бывают трубчатые, ребристые, пластинчатые.

Таким образом, рекуператор нужен там, где наблюдается большой контраст между температурами на улице и в помещении. Он позволяет снизить затраты на обогрев воздуха зимой во время отопительного сезона и на кондиционирование — летом.

Самостоятельно изготовить рекуператор воздуха поможет данная статья: https://teplo.guru/eko/rekuperator-vozduha-svoimi-rukami.html

Горячее водоснабжение

В котлах отопления и горячего водоснабжения теплообменник работает по принципу подогревателя.

Пластинчатый теплообменник значительно компактнее других видов теплообменников, и поэтому в бытовых двухконтурных котлах все чаще устанавливается именно эта конструкция.

Это небольшое устройство, не более 20 см высотой, занимает в котле немного места, но:

• обеспечивает более высокий КПД;
• создает меньшие потери тепла;
• позволяет иметь возможность для промывания и реконструкции.

[advice]Следует помнить: вода, которую мы применяем в котлах ГВС и отопления жесткая, то есть содержит повышенную концентрацию извести и других соединений, откладывающихся на стенках в виде накипи.[/advice]

Поэтому необходимо при монтаже оборудования устанавливать фильтры, которые уменьшат образование накипи в проточном и отопительном теплообменниках.

Особенностям банных теплообменников посвящена следующая статья: https://teplo.guru/pechi/bannye/teploobmennik-dlya-bannoi-pechi.html

Как устроен и работает пластинчатый теплообменник, смотрите в следующем видео:

Оцените статью: Поделитесь с друзьями!

Общие сведения о теплообменниках — Типы, конструкции, области применения и руководство по выбору

Крупным планом часть теплообменника вода-воздух.

Изображение предоставлено: Alaettin YILDIRIM / Shutterstock.com

Теплообменники — это устройства, предназначенные для передачи тепла между двумя или более жидкостями, т. Е. Жидкостями, парами или газами, с разными температурами. В зависимости от типа используемого теплообменника, процесс теплопередачи может быть газ-газ, жидкость-газ или жидкость-жидкость и происходить через твердый сепаратор, который предотвращает смешивание текучих сред, или прямой поток жидкости. контакт.Другие конструктивные характеристики, включая строительные материалы и компоненты, механизмы теплопередачи и конфигурации потока, также помогают классифицировать и классифицировать типы доступных теплообменников. Эти теплообменные устройства находят применение в самых разных отраслях промышленности и разработаны и изготовлены для использования как в процессах нагрева, так и охлаждения.

Эта статья посвящена теплообменникам, исследует их различные конструкции и типы и объясняет их соответствующие функции и механизмы. Кроме того, в этой статье приводятся рекомендации по выбору и общие области применения для каждого типа теплообменного устройства.

Термодинамика теплообменника

Конструкция теплообменника — это упражнение в термодинамике, науке, изучающей поток тепловой энергии, температуру и взаимосвязь с другими формами энергии. Чтобы понять термодинамику теплообменника, хорошей отправной точкой является изучение трех способов передачи тепла — теплопроводности, конвекции и излучения.В следующих разделах представлен обзор каждого из этих режимов теплопередачи.

Проводимость

Проводимость — это передача тепловой энергии между материалами, находящимися в контакте друг с другом. Температура — это мера средней кинетической энергии молекул в материале — более теплые объекты (которые имеют более высокую температуру) демонстрируют большее движение молекул. Когда более теплый объект соприкасается с более холодным объектом (тем, который имеет более низкую температуру), происходит передача тепловой энергии между двумя материалами, при этом более холодный объект получает больше энергии, а более теплый объект становится менее энергичным. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Скорость, с которой тепловая энергия передается в материале за счет теплопроводности, определяется следующим выражением:

В этом выражении Q представляет количество тепла, передаваемого через материал во времени t , ΔT это разница температур между одной стороной материала и другой (температурный градиент), A площадь поперечного сечения материала, а d — толщина материала.Константа k известна как теплопроводность материала и является функцией внутренних свойств материала и его структуры. Воздух и другие газы обычно имеют низкую теплопроводность, в то время как неметаллические твердые вещества показывают более высокие значения, а металлические твердые тела обычно показывают самые высокие значения.

Конвекция

Конвекция — это передача тепловой энергии от поверхности за счет движения нагретой жидкости, такой как воздух или вода. Большинство жидкостей расширяются при нагревании и, следовательно, становятся менее плотными и поднимаются по сравнению с другими более холодными частями жидкости. Итак, когда воздух в комнате нагревается, он поднимается к потолку, потому что он теплее и менее плотный, и передает тепловую энергию, сталкиваясь с более холодным воздухом в комнате, затем становится более плотным и снова падает на пол. Этот процесс создает поток естественной или свободной конвекции. Конвекция также может происходить посредством так называемой принудительной или вспомогательной конвекции, например, когда нагретая вода перекачивается по трубе, например, в системе водяного отопления.

Для свободной конвекции скорость передачи тепла выражается законом охлаждения Ньютона:

Где Q-точка — скорость передачи тепла, h _c — коэффициент конвективной теплопередачи, A — площадь поверхности, на которой происходит процесс конвекции, а ΔT — разница температур между поверхность и жидкость. Коэффициент конвективной теплопередачи h _c является функцией свойств жидкости, подобной теплопроводности материала, упомянутого ранее в отношении проводимости.

Радиация

Тепловое излучение — это механизм передачи тепловой энергии, включающий излучение электромагнитных волн от нагретой поверхности или объекта. В отличие от теплопроводности и конвекции, тепловое излучение не требует промежуточной среды для переноса энергии волны. Все объекты, температура которых выше абсолютного нуля (-273,15 ^o C), излучают тепловое излучение в типично широком спектральном диапазоне.

Чистую скорость радиационных потерь тепла можно выразить с помощью закона Стефана-Больцмана следующим образом:

, где Q — теплоотдача в единицу времени, T _ч — температура горячего объекта (в абсолютных единицах, ^o K), T _c — температура более холодного окружения. (также в абсолютных единицах, ^o K), σ — постоянная Стефана-Больцмана (значение которой равно 5.6703 x 10 ^-8 Вт / м ² K ⁴ ). Термин, представленный как ε , представляет собой коэффициент излучения материала и может иметь значение от 0 до 1, в зависимости от характеристик материала и его способности отражать, поглощать или передавать излучение. Это также функция температуры материала.

Основные принципы теплообменников

Независимо от типа и конструкции, все теплообменники работают в соответствии с одними и теми же фундаментальными принципами, а именно нулевым, первым и вторым законами термодинамики, которые описывают и определяют перенос или «обмен» тепла от одной жидкости к другой.

• Нулевой закон термодинамики гласит, что термодинамические системы, находящиеся в тепловом равновесии, имеют одинаковую температуру. Кроме того, если каждая из двух систем находится в тепловом равновесии с третьей системой, то две первые системы должны быть в равновесии друг с другом; таким образом, все три системы имеют одинаковую температуру. Этот закон, предшествующий трем другим законам термодинамики по порядку, но не в развитии, не только выражает тепловое равновесие как переходное свойство, но также определяет понятие температуры и устанавливает ее как измеримое свойство термодинамических систем.
• Первый закон термодинамики основан на нулевом законе, устанавливая внутреннюю энергию ( U ) как еще одно свойство термодинамических систем и указывая на влияние тепла и работы на внутреннюю энергию системы и энергию окружающей среды. Кроме того, первый закон, также называемый законом обмена энергией, по существу гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только передана другой термодинамической системе или преобразована в другую форму (например,г., обогревать или работать).

  Например, если тепло поступает в систему из окружающей среды, происходит соответствующее увеличение внутренней энергии системы и уменьшение энергии окружающей среды. Этот принцип можно проиллюстрировать следующим уравнением, где ΔU _{система} представляет внутреннюю энергию системы, а ΔU _среда представляет внутреннюю энергию окружающей среды:

• Второй закон термодинамики устанавливает энтропию ( S ) как дополнительное свойство термодинамических систем и описывает естественную и неизменную тенденцию Вселенной и любой другой замкнутой термодинамической системы к увеличению энтропии с течением времени. Этот принцип может быть проиллюстрирован следующим уравнением, где ΔS представляет собой изменение энтропии, ΔQ представляет собой изменение тепла, добавляемого к системе, а T представляет собой абсолютную температуру:
  Он также используется для объяснения тенденции двух изолированных систем — когда они могут взаимодействовать и свободны от всех других влияний — двигаться к термодинамическому равновесию. Согласно второму закону энтропия может только увеличиваться, но не уменьшаться; следовательно, каждая система по мере увеличения энтропии неизменно движется к наивысшему значению, достижимому для указанной системы.При этом значении система достигает состояния равновесия, при котором энтропия больше не может ни увеличиваться (поскольку она находится на максимуме), ни уменьшаться, поскольку это действие нарушило бы Второй закон. Следовательно, единственные возможные изменения системы — это те, в которых энтропия не претерпевает изменений (т. Е. Отношение тепла, добавляемого или отводимого к системе, к абсолютной температуре остается постоянным).

В целом эти принципы определяют основные механизмы и операции теплообменников; Нулевой закон устанавливает температуру как измеримое свойство термодинамических систем, Первый закон описывает обратную зависимость между внутренней энергией системы (и ее преобразованными формами) и энергией окружающей ее среды, а Второй закон выражает тенденцию двух взаимодействующих систем к двигаться к тепловому равновесию.Таким образом, теплообменники работают, позволяя жидкости более высокой температуры ( F ₁ ) взаимодействовать — прямо или косвенно — с жидкостью более низкой температуры ( F ₂ ), что позволяет тепло для передачи от F ₁ к F ₂ для перехода к равновесию. Эта передача тепла приводит к снижению температуры для F ₁ и увеличению температуры для F ₂ . В зависимости от того, нацелено ли приложение на нагрев или охлаждение жидкости, этот процесс (и устройства, которые его используют) можно использовать для направления тепла к системе или от нее, соответственно.

Расчетные характеристики теплообменника

Как указано выше, все теплообменники работают по одним и тем же основным принципам. Однако эти устройства можно классифицировать и классифицировать несколькими способами в зависимости от их конструктивных характеристик. К основным характеристикам, по которым можно отнести теплообменники, относятся:

• Конфигурация потока
• Способ строительства
• Механизм теплопередачи

Конфигурация потока

Конфигурация потока, также называемая устройством потока, теплообменника относится к направлению движения текучих сред внутри теплообменника по отношению друг к другу.В теплообменниках используются четыре основные конфигурации потока:

• Попутный поток
• Противоток
• Поперечный поток
• Гибридный поток

Попутный поток

Теплообменники с прямоточным потоком , также называемые теплообменниками с параллельным потоком, представляют собой теплообменные устройства, в которых жидкости движутся параллельно и в одном направлении друг с другом. Хотя такая конфигурация обычно приводит к более низкой эффективности, чем устройство противотока, она также обеспечивает максимальную термическую однородность по стенкам теплообменника.

Противоток

Противоточные теплообменники , также известные как противоточные теплообменники, спроектированы так, что жидкости движутся антипараллельно (т. Е. Параллельно, но в противоположных направлениях) друг другу внутри теплообменника. Наиболее часто используемая из конфигураций потока, устройство противотока обычно демонстрирует наивысшую эффективность, поскольку оно обеспечивает наибольшую теплопередачу между жидкостями и, следовательно, наибольшее изменение температуры.

Поперечный поток

В теплообменниках с перекрестным потоком жидкости текут перпендикулярно друг другу. Эффективность теплообменников, в которых используется эта конфигурация потока, находится между противоточными и прямоточными теплообменниками.

Гибридный поток

Теплообменники с гибридным потоком демонстрируют некоторую комбинацию характеристик ранее упомянутых конфигураций потока. Например, конструкции теплообменников могут использовать несколько потоков и устройств (например.g., как противоточные, так и перекрестные потоки) в одном теплообменнике. Эти типы теплообменников обычно используются для учета ограничений приложения, таких как пространство, бюджетные затраты или требования к температуре и давлению.

На рисунке 1 ниже показаны различные доступные конфигурации потока, включая конфигурацию с перекрестным / противотоком, которая является примером конфигурации гибридного потока.

Рисунок 1 — Конфигурации потока теплообменника

Метод строительства

Если в предыдущем разделе теплообменники классифицировались на основе типа используемой конфигурации потока, в этом разделе они классифицируются на основе их конструкции.Конструктивные характеристики, по которым можно классифицировать эти устройства, включают:

• Рекуперативное против регенеративного
• Прямое против косвенного
• Статическое и динамическое
• Типы используемых компонентов и материалов

Рекуперативная и регенеративная

Теплообменники можно разделить на рекуперативные теплообменники и рекуперативные теплообменники.

Разница между рекуперативными и регенеративными системами теплообменников заключается в том, что в рекуперативных теплообменниках (обычно называемых рекуператорами) каждая жидкость одновременно протекает через свой собственный канал внутри теплообменника.С другой стороны, регенеративных теплообменников , также называемых емкостными теплообменниками или регенераторами, поочередно позволяют более теплым и более холодным жидкостям проходить через один и тот же канал. И рекуператоры, и регенераторы могут быть далее разделены на различные категории теплообменников, такие как прямые или непрямые, статические или динамические, соответственно. Из двух указанных типов рекуперативные теплообменники чаще используются в промышленности.

Прямая и косвенная

В рекуперативных теплообменниках

для обмена тепла между жидкостями используются процессы прямого или косвенного контакта.

В теплообменниках прямого контакта жидкости не разделяются внутри устройства, а тепло передается от одной жидкости к другой посредством прямого контакта. С другой стороны, в непрямых теплообменниках жидкости остаются отделенными друг от друга теплопроводными компонентами, такими как трубы или пластины, на протяжении всего процесса теплопередачи. Компоненты сначала получают тепло от более теплой жидкости, когда она течет через теплообменник, а затем передают тепло более холодной жидкости, когда она течет через теплообменник.Некоторые из устройств, в которых используются процессы прямой контактной передачи, включают градирни и паровые инжекторы, в то время как устройства, в которых используются процессы косвенной контактной передачи, включают трубчатые или пластинчатые теплообменники.

Статическая и динамическая

Существует два основных типа регенеративных теплообменников — статические теплообменники и динамические теплообменники. В статических регенераторах (также известных как регенераторы с неподвижным слоем) материал и компоненты теплообменника остаются неподвижными при прохождении жидкости через устройство, в то время как в динамических регенераторах материал и компоненты перемещаются на протяжении всего процесса теплопередачи. Оба типа подвержены риску перекрестного загрязнения между потоками текучей среды, что требует тщательного проектирования во время производства.

В одном из примеров статического типа более теплая жидкость проходит через один канал, в то время как более холодная жидкость проходит через другой в течение фиксированного периода времени, в конце которого с помощью быстродействующих клапанов происходит реверсирование потока, так что два жидкости переключают каналы. В примере динамического типа обычно используется вращающийся теплопроводный компонент (например,g., барабан), через который непрерывно протекают более теплые и более холодные жидкости, хотя и отдельными, изолированными секциями. По мере вращения компонента любая заданная секция поочередно проходит через потоки более теплого пара и более холодного пара, позволяя компоненту поглощать тепло от более теплой жидкости и передавать тепло более холодной жидкости по мере прохождения. На рисунке 2 ниже изображен процесс теплопередачи в регенераторе роторного типа с противоточной конфигурацией.

Рисунок 2 — Теплообмен в регенераторе роторного типа

Компоненты и материалы теплообменника

Существует несколько типов компонентов, которые можно использовать в теплообменниках, а также широкий спектр материалов, используемых для их изготовления.Используемые компоненты и материалы зависят от типа теплообменника и его предполагаемого применения.

Некоторые из наиболее распространенных компонентов, используемых для создания теплообменников, включают кожухи, трубки, спиральные трубки (змеевики), пластины, ребра и адиабатические колеса. Более подробная информация о том, как эти компоненты работают в теплообменнике, будет предоставлена ​​в следующем разделе (см. Типы теплообменников).

В то время как металлы очень подходят — и широко используются — для изготовления теплообменников из-за их высокой теплопроводности, как в случае теплообменников из меди, титана и нержавеющей стали, другие материалы, такие как графит, керамика, композиты или пластмассы , может дать большие преимущества в зависимости от требований приложения теплопередачи.

Рисунок 3 — Классификация теплообменников по конструкции Примечания: * Теплообменные устройства, перечисленные под строительной классификацией, являются лишь небольшой частью из имеющихся.
** Представленная классификация соответствует информации, опубликованной на сайте Thermopedia.com.

Механизм теплопередачи

В теплообменниках используются два типа механизмов теплопередачи — однофазный или двухфазный.

В однофазных теплообменниках жидкости не претерпевают никаких фазовых изменений в процессе теплопередачи, что означает, что как более теплые, так и более холодные жидкости остаются в том же состоянии вещества, в котором они попали в теплообменник.Например, в приложениях теплопередачи вода-вода более теплая вода теряет тепло, которое затем передается более холодной воде и не превращается в газ или твердое вещество.

С другой стороны, в двухфазных теплообменниках жидкости действительно испытывают фазовый переход во время процесса теплопередачи. Фазовое изменение может происходить в одной или обеих участвующих текучих средах, приводя к переходу из жидкости в газ или из газа в жидкость. Обычно устройства, в которых используется двухфазный механизм теплопередачи, требуют более сложных конструктивных решений, чем устройства, в которых используется однофазный механизм теплопередачи.Некоторые из доступных типов двухфазных теплообменников включают котлы, конденсаторы и испарители.

Типы теплообменников

Исходя из указанных выше конструктивных характеристик, доступно несколько различных вариантов теплообменников. Некоторые из наиболее распространенных вариантов, используемых в промышленности, включают:

• Кожухотрубные теплообменники
• Двухтрубный теплообменник
• Пластинчатые теплообменники
• Конденсаторы, испарители и котлы

Кожухотрубные теплообменники

Наиболее распространенный тип теплообменников, кожухотрубных теплообменников состоит из одной трубы или ряда параллельных трубок (т. е.например, пучок труб), заключенный в герметичный цилиндрический сосуд высокого давления (т.е. оболочку). Конструкция этих устройств такова, что одна жидкость протекает через меньшую трубку (и), а другая жидкость течет вокруг ее / их внешней (их) стороны и между ними / ими внутри герметичной оболочки. К другим конструктивным характеристикам, доступным для этого типа теплообменника, относятся оребренные трубы, одно- или двухфазная теплопередача, противоточный, прямоточный или перекрестный поток, а также одно-, двух- или многопроходные конфигурации.

Некоторые из типов кожухотрубных теплообменников включают спиральные змеевики и двухтрубные теплообменники, а некоторые из применений включают предварительный нагрев, охлаждение масла и производство пара.

Пучок труб теплообменника крупным планом.

Изображение предоставлено: Антон Москвитин / Shutterstock.com

Двухтрубный теплообменник

Кожухотрубный теплообменник, двухтрубные теплообменники используют простейшую конструкцию и конфигурацию теплообменника, которая состоит из двух или более концентрических цилиндрических труб или трубок (одна большая труба и одна или несколько меньших трубок). Согласно конструкции всех кожухотрубных теплообменников, одна жидкость протекает через меньшую трубу (и), а другая жидкость течет вокруг меньшей (ых) трубы (ов) внутри большей трубы.

Требования к конструкции двухтрубных теплообменников включают характеристики рекуперативного и косвенного типов контактов, упомянутых ранее, поскольку жидкости остаются разделенными и протекают по своим собственным каналам на протяжении всего процесса теплопередачи. Тем не менее, существует некоторая гибкость в конструкции двухтрубных теплообменников, поскольку они могут быть спроектированы с прямоточными или противоточными устройствами и могут использоваться модульно в последовательной, параллельной или последовательно-параллельной конфигурации внутри системы.Например, на Рисунке 4 ниже показан перенос тепла в изолированном двухтрубном теплообменнике с прямоточной конфигурацией.

Рисунок 4 — Теплообмен в двухтрубном теплообменнике

Пластинчатые теплообменники

Пластинчатые теплообменники, также называемые пластинчатыми теплообменниками, состоят из нескольких тонких гофрированных пластин, связанных вместе. Каждая пара пластин создает канал, по которому может течь одна жидкость, и пары уложены друг на друга и прикреплены — с помощью болтов, пайки или сварки — таким образом, что между парами создается второй канал, через который может течь другая жидкость.

Стандартная пластинчатая конструкция также доступна с некоторыми вариациями, например пластинчато-ребристыми или пластинчатыми теплообменниками. Пластинчато-ребристые теплообменники используют ребра или прокладки между пластинами и позволяют использовать несколько конфигураций потока и более двух потоков жидкости, проходящих через устройство. Пластинчатые теплообменники с подушками оказывают давление на пластины, чтобы повысить эффективность теплопередачи по поверхности пластины. Некоторые из других доступных типов включают пластинчатые и рамные, пластинчатые и кожухо-спиральные теплообменники.

Пластинчатый теплообменник крупным планом.

Кредит изображения: withGod / Shutterstock.com

Конденсаторы, испарители и котлы

Котлы, конденсаторы и испарители представляют собой теплообменники, в которых используется двухфазный механизм теплопередачи. Как упоминалось ранее, в двухфазных теплообменниках одна или несколько текучих сред претерпевают фазовое изменение во время процесса теплопередачи, переходя либо из жидкости в газ, либо из газа в жидкость.

Конденсаторы — это теплообменные устройства, которые забирают нагретый газ или пар и охлаждают его до точки конденсации, превращая газ или пар в жидкость.С другой стороны, в испарителях и котлах процесс теплопередачи переводит жидкости из жидкой формы в газообразную или парообразную.

Другие варианты теплообменников

Теплообменники используются во множестве применений в самых разных отраслях промышленности. Следовательно, существует несколько вариантов теплообменников, каждый из которых соответствует требованиям и спецификациям конкретного применения. Помимо упомянутых выше вариантов, доступны другие типы, включая теплообменники с воздушным охлаждением, теплообменники с вентиляторным охлаждением и теплообменники с адиабатическим колесом.

Рекомендации по выбору теплообменника

Несмотря на то, что существует большое количество теплообменников, пригодность каждого типа (и его конструкции) для передачи тепла между жидкостями зависит от технических характеристик и требований приложения. Эти факторы в значительной степени определяют оптимальную конструкцию желаемого теплообменника и влияют на соответствующие расчеты номинальных характеристик и размеров.

Некоторые из факторов, которые профессионалы отрасли должны учитывать при проектировании и выборе теплообменника, включают:

• Тип жидкостей, поток жидкости и их свойства
• Требуемая тепловая мощность
• Ограничения по размеру
• Стоимость

Тип жидкости, поток и свойства

Определенный тип жидкостей — e.г., воздух, вода, масло и т. д. — задействованные, а также их физические, химические и термические свойства — например, фаза, температура, кислотность или щелочность, давление и скорость потока и т. д. — помогают определить конфигурацию потока и наиболее подходящую конструкцию. для этого конкретного приложения теплопередачи.

Например, если речь идет о коррозионных жидкостях, жидкостях с высокой температурой или под высоким давлением, конструкция теплообменника должна выдерживать высокие нагрузки в процессе нагрева или охлаждения. Одним из методов выполнения этих требований является выбор конструкционных материалов, обладающих желаемыми свойствами: графитовые теплообменники обладают высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью, керамические теплообменники могут работать при температурах выше, чем точки плавления многих обычно используемых металлов, а пластиковые теплообменники обеспечивают высокую теплопроводность и устойчивость к коррозии. недорогая альтернатива, которая сохраняет умеренную степень коррозионной стойкости и теплопроводности.

Керамический теплообменник

Изображение предоставлено: CG Thermal

Другой метод заключается в выборе конструкции, подходящей для свойств жидкости: пластинчатые теплообменники могут работать с жидкостями от низкого до среднего давления, но с более высокими расходами, чем другие типы теплообменников, а двухфазные теплообменники необходимы при работе с жидкостями, которые требуют фазового перехода в процессе теплопередачи. Другие свойства текучей среды и потока текучей среды, которые профессионалы отрасли могут учитывать при выборе теплообменника, включают вязкость текучей среды, характеристики загрязнения, содержание твердых частиц и присутствие водорастворимых соединений.

Тепловые выходы

Тепловая мощность теплообменника относится к количеству тепла, передаваемому между жидкостями, и соответствующему изменению температуры в конце процесса теплопередачи. Передача тепла внутри теплообменника приводит к изменению температуры в обеих жидкостях, понижая температуру одной жидкости по мере удаления тепла и повышая температуру другой жидкости по мере добавления тепла. Желаемая тепловая мощность и скорость теплопередачи помогают определить оптимальный тип и конструкцию теплообменника, поскольку некоторые конструкции теплообменников предлагают более высокие скорости теплопередачи через нагреватель и могут выдерживать более высокие температуры, чем другие конструкции, хотя и с более высокой стоимостью.

Ограничения размера

После выбора оптимального типа и конструкции теплообменника распространенной ошибкой является покупка слишком большого для данного физического пространства. Часто более разумно приобрести теплообменное устройство такого размера, которое оставляет место для дальнейшего расширения или добавления, чем выбирать устройство, которое полностью охватывает пространство. Для применений с ограниченным пространством, например, в самолетах или автомобилях, компактные теплообменники предлагают высокую эффективность теплопередачи в меньших и более легких решениях.Эти теплообменные устройства характеризуются высоким отношением площади поверхности теплообмена к объему, поэтому доступны несколько вариантов этих теплообменных устройств, включая компактные пластинчатые теплообменники. Как правило, эти устройства имеют соотношение ≥700 м ² / м ³ для газо-газовых приложений и ≥400 м ² / м ³ для жидкости-к-газу. газовые приложения.

Стоимость

Стоимость теплообменника включает не только начальную цену оборудования, но также затраты на установку, эксплуатацию и техническое обслуживание в течение срока службы устройства.Несмотря на то, что необходимо выбрать теплообменник, который эффективно удовлетворяет требованиям приложений, также важно учитывать общие затраты на выбранный теплообменник, чтобы лучше определить, стоит ли оно вложенных средств. Например, изначально дорогой, но более прочный теплообменник может привести к снижению затрат на техническое обслуживание и, следовательно, к меньшим общим расходам в течение нескольких лет, в то время как более дешевый теплообменник может быть изначально менее дорогим, но потребует нескольких ремонтов и замен. в течение того же периода времени.

Оптимизация конструкции

Проектирование оптимального теплообменника для данного применения (с конкретными спецификациями и требованиями, указанными выше) включает определение изменения температуры жидкостей, коэффициента теплопередачи и конструкции теплообменника и их соотнесение со скоростью теплопередачи. . Две основные проблемы, которые возникают при достижении этой цели, — это расчет номинальных характеристик и размеров устройства.

Рейтинг относится к расчету тепловой эффективности (т.е.е. эффективность) теплообменника заданной конструкции и размера, включая скорость теплопередачи, количество тепла, передаваемого между жидкостями и соответствующее изменение температуры, а также полное падение давления на устройстве. Определение размеров относится к расчету требуемых общих размеров теплообменника (т. Е. Площади поверхности, доступной для использования в процессе теплопередачи), включая длину, ширину, высоту, толщину, количество компонентов, геометрию и расположение компонентов, и Т. Д., для приложения с заданными техническими характеристиками и требованиями. Расчетные характеристики теплообменника — например, конфигурация потока, материал, конструктивные элементы, геометрия и т. Д. — влияют как на номинальные характеристики, так и на расчет размеров. В идеале, оптимальная конструкция теплообменника для приложения находит баланс (с факторами, оптимизированными в соответствии с указаниями проектировщика) между номинальными характеристиками и размерами, которые удовлетворяют технологическим спецификациям и требованиям при минимально необходимых затратах.

Применение теплообменников

Теплообменники — это устройства, используемые в промышленности как для нагрева, так и для охлаждения. Доступны несколько вариантов теплообменников, которые находят применение в самых разных отраслях промышленности, в том числе:

В таблице 1 ниже указаны некоторые из общих отраслей промышленности и применения ранее упомянутых типов теплообменников.

Таблица 1 — Отрасли и области применения теплообменников по типам

Тип теплообменника	Общие отрасли промышленности и приложения
Кожух и трубка	Нефтепереработка Предварительный нагрев Масляное охлаждение Производство пара Рекуперация тепла продувкой котла Системы улавливания паров Системы промышленной окраски
Двойная труба	Промышленные процессы охлаждения Требования к малой площади теплообмена
Пластина	Криогенный Пищевая промышленность Химическая обработка Печи Замкнутый контур водяного охлаждения открытого контура
Конденсаторы	Процессы дистилляции и очистки Электростанции Холодильное оборудование HVAC Химическая обработка
Испарители / Котлы	Процессы дистилляции и очистки Паровозы Холодильное оборудование HVAC
с воздушным охлаждением / вентиляторным охлаждением	Ограниченный доступ к охлаждающей воде Химические и нефтеперерабатывающие заводы Двигатели Электростанции
Адиабатическое колесо	Химическая и нефтехимическая переработка Нефтеперерабатывающие заводы Пищевая промышленность и пастеризация Производство электроэнергии Криогеника HVAC Аэрокосмическая промышленность
Компактный	Ограниченное пространство (e. г., самолеты и автомобили) Масляное охлаждение Автомобильная промышленность Криогеника Охлаждение электроники

Сводка

Это руководство дает общее представление о теплообменниках, доступных конструкциях и типах, их применениях и особенностях использования. Дополнительную информацию о приобретении теплообменников можно найти в Руководстве по покупке теплообменников Thomas.

Для получения дополнительной информации о сопутствующих продуктах обратитесь к другим руководствам и официальным документам Thomas или посетите платформу Thomas Supplier Discovery Platform, где вы найдете информацию о более чем 500 000 коммерческих и промышленных поставщиков.

Источники

1. https://www.engr.mun.ca/~yuri/Courses/MechanicalSystems/HeatExchangers.pdf
2. http://sky.kiau.ac.ir
3. http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node131.html
4. http://web. mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node30.html
5. https://www.thomasnet.com/knowledge/white-paper/speciality-heat-exchangers-101
6. https://www.livescience.com/50833-zeroth-law-thermodynamics.html
7. https: // курсы.lumenlearning.com/introchem/chapter/the-three-laws-of-thermodynamics/
8. https://chem.libretexts.org
9. http://physicalworld.org
10. https://link.springer.com
11. https://thefreeanswer.com/question/regenerative-heat-exchanger-static-type-regenerative-heat-exchanger-differ-dynamic-type/
12. http://hedhme.com
13. https://www.kau.edu.sa/Files/0052880/Subjects/GuideLinesAndPracticeForThermalDesignOfHeatExchangersN2.pdf
14. https: // www.scribd.com/doc/132/Boilers-Evaporators-Condensers-Kakac

Прочие изделия из теплообменников

Больше из Технологическое оборудование

Принципиальная схема кожухотрубного теплообменника

Контекст 1

. .. трубная сторона STHE. Расход рассчитывается с помощью расходомеров, а расход регулируется с помощью клапанов. Термопары используются для измерения температуры на входе и выходе горячих и холодных жидкостей.Путь потока горячих и холодных жидкостей, а также присоединения термометров, расходомеров, насосов и клапанов показаны на рис. …

Контекст 2

… круг, квадрат, треугольник, эллиптическая форма будет влиять на термический анализ из-за изменения площади поверхности. Как правило, более высокая площадь поверхности дает более высокие характеристики теплопередачи и наоборот. При анализе круглые трубы имеют меньшую площадь поверхности, чем эллиптические. Векторные контуры в математической модели, представленной на рис.11, 12, 13 и 14 для круглых трубок без полосы (CWOS) и эллиптических труб без полосы (EWOS) указывают на распределение теплопередачи на трубной стороне и на межтрубной стороне кожухотрубного теплообменника. Визуализации сделаны на эллиптической модели по сравнению с математическим анализом круговой модели. Распределение температуры …

Context 3

… и эллиптических трубок, скорость теплопередачи увеличивается до 10% для всех трех прорезей перегородки.Принимая во внимание ориентацию трубы, сохраняются эллиптические трубы и различные сечения перегородки: 25%, четверть и зеркальная четверть. Среди всех ориентаций трубок ориентация трубки 45 ° дает максимальную скорость теплопередачи, как показано на рис. 21. Наблюдения показывают, что скорость теплопередачи увеличивается до 8-9,5% при различных ориентациях с круглыми и эллиптическими трубками, соответственно, и тогда общее улучшение теплопередачи при ориентации трубы 45 ° и эллиптической трубы с перегородкой зеркала на 10% выше, чем теплоотдача существующих кожухов и труб…

Контекст 4

… длина потока увеличивается в разрезе перегородки на четверть по сравнению с разрезом перегородки 25%, что приводит к уменьшению перепада давления в межтрубной части кожуха и тепла трубы обменник. Падение давления уменьшилось до 13% для перегородки, вырезанной на четверть, по сравнению с 25% перегородки в круглых трубах и до 15% для эллиптических труб, как показано на фиг. 25, 26 и 27. В случае прорези зеркальной перегородки жидкость в оболочке разделяется на два потока, увеличивая путь потока и уменьшая перепад давления на стороне оболочки.Перепад давления снижен до 20% от разреза на четверть перегородки до зеркального среза на четверть перегородки в круглых трубах и до 25% в эллиптических … . Наблюдения производятся для круглой и эллиптической трубок при разных ориентациях, например, от 60 ° до 90 ° и от 90 ° до 45 °. При ориентации трубы для круглой трубы под углом от 60 ° до 90 ° падение давления уменьшается до 30%, в то время как то же самое при угле поворота от 90 ° до 45 ° падение давления уменьшается на 20%, как показано на рис.28, 29 и 30. Аналогичные формулы сделаны для эллиптических труб при ориентации трубки от 60 ° до 90 °, падение давления уменьшается до 30%, в то время как то же самое при ориентации трубки от 90 ° до 45 ° падение давления уменьшается на 25%, как показано на фиг. 28, 29 и …

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓

• Образование
• Исследование
• Инновации
• Прием + помощь
• Студенческая жизнь
• Новости
• Выпускников
• О MIT
• Подробнее ↓
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Выпускников
  • О MIT

Меню ↓ Поиск Меню Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Увидеть больше результатов

Предложения или отзывы?

Какие типы теплообменников бывают?

Теплообменники можно классифицировать по схеме протока и конструктивным особенностям.

Параллельный поток и противоток

В простейшем теплообменнике две жидкости (одна холодная и одна горячая) движутся в одинаковых или противоположных направлениях в конфигурации концентрических труб. Когда жидкости входят и выходят с одного и того же конца, конфигурация является параллельной, , тогда как в конфигурации противотока жидкости входят и выходят на противоположном конце.

Параллельный и противоточный теплообменник

Поперечный поток

Жидкости могут также течь в перпендикулярных направлениях , что известно как перекрестный поток.Двумя основными типами являются оребренные и необуженные трубчатые. В трубчатом теплообменнике с ребрами , обе жидкости являются несмешанными, , , жидкость между ребрами направляется в направлении, поперечном направлению потока в трубе. В теплообменнике без покрытия теплообменник может передаваться во всех направлениях, и жидкость может перемешиваться.

Ребристый и трубчатый теплообменник без ребра

Кожухотрубный

Кожухотрубный теплообменник состоит из кожуха, содержащего большое количество трубок.Возможны различные типы кожухотрубных конструкций.

Если трубка изогнута и имеет форму буквы U, она называется U-образной трубкой . Трубки также могут быть прямыми, с одним или двумя проходами. В однопроходном теплообменнике жидкость входит в один конец трубы и выходит из другого. В двухпроходном типе t жидкость входит и выходит с одной и той же стороны. Для направления потока через стенки кожуха могут быть установлены перегородки.

U-образный, однопроходный прямой и двухходовой прямой теплообменник

Компактный теплообменник

Компактный теплообменник — это устройство, характеризующееся высокой площадью теплообмена на единицу объема (более 300 м2 / м3). Доступны различные типы компактных теплообменников.

Пластинчато-рамный теплообменник Конструкция состоит из набора гофрированных пластин, соединенных между собой. В этой конфигурации жидкость распределяется по множеству пластин.

Пластинчато-рамочный теплообменник

В теплообменнике с пластинчатыми ребрами и ребра вставлены между параллельными пластинами, и жидкость течет через эти ребра.Таким образом увеличивается площадь теплопередачи. Ребра могут быть треугольными, прямоугольными, волнистыми или перфорированными.

Лакированный теплообменник

Кожухотрубный теплообменник может быть преобразован в компактный теплообменник с использованием полимерных трубок. С уменьшением диаметра полимерной трубки оболочка может вместить больше трубок, следовательно, увеличивается плотность поверхности теплопередачи. Полимерные материалы легкие и устойчивы к коррозии, но они ограничены: температуры и давления.

Теплообменник micro представляет собой устройство, в котором жидкость течет в боковом канале с типичными размерами менее 1 мм. Схема ниже относится к микроканальному теплообменнику.

Микроканальный теплообменник

Кожухотрубный теплообменник: конструкция и расход воды через него

Введение

Структура потока в кожухотрубном теплообменнике обычно не является точно противоточным или параллельным потоком, как в двухтрубном теплообменнике.Скорее, структура потока обычно представляет собой некое сочетание противотока, параллельного потока и поперечного потока. Средняя логарифмическая разница температур, которая используется для конструкции кожухотрубного теплообменника, работает для большинства разнообразных схем потока, которые возникают в этом типе теплообменника. Общая конфигурация и терминология кожухотрубных теплообменников описаны в разделе «Типы кожухотрубных теплообменников». Эта статья будет продолжена оттуда.

Схемы потока кожухотрубного теплообменника

Вместо одной трубы внутри другой, как в двухтрубном теплообменнике, используется кожухотрубный теплообменник

В теплообменнике

используется несколько трубок в пучке внутри «оболочки».Это дает более компактный теплообменник для данной площади теплопередачи, но схемы потока для кожухотрубного теплообменника несколько сложнее. На схеме слева показана общая конфигурация. Некоторые варианты кожухотрубных теплообменников, которые влияют на структуру потока, включают U-образную или прямую трубку и количество проходов (сторона трубки). Картина обтекания со стороны кожуха определяется перегородками, как показано на диаграммах.

Кожухотрубный теплообменник с U-образной трубкой имеет жидкость со стороны трубы, входящую и выходящую на одном конце

теплообменник, в котором жидкость делает «разворот» через изгибы трубы на другом конце, как показано на верхнем рисунке справа.Кожухотрубный теплообменник с U-образной трубкой автоматически имеет два прохода трубы.

Прямой трубчатый кожухотрубный теплообменник имеет трубную решетку и камеру статического давления на обоих концах, как показано на двух нижних диаграммах. Теплообменник с прямой трубкой, показанный справа, имеет один проход для трубки, а у теплообменника слева — два прохода.

Конструкция кожухотрубного теплообменника

Требуемая площадь поверхности теплопередачи для кожухотрубного теплообменника обычно находится из основного уравнения теплообменника: Q = UA ΔTlm, где:

Q = скорость теплопередачи между двумя жидкостями теплообменника, БТЕ / ч,

U = общий коэффициент теплопередачи, БТЕ / ч-фут2-oF,

A = площадь поверхности теплопередачи, фут2,

ΔTlm = средняя логарифмическая разница температур в ° F, рассчитанная на основе температур на входе и выходе двух жидкостей.

Основное уравнение теплообменника и указанные выше параметры обсуждаются в «Основах проектирования теплообменника». Пример расчета с основным уравнением теплопередачи приведен в разделе «Предварительный пример конструкции теплообменника».

Если требуемый расход и изменение температуры одной из жидкостей известны вместе с расходом и одной температурой для другой жидкости (или обеими температурами для другой жидкости), оценка коэффициента теплопередачи, а также оболочки и будет использоваться схема потока в трубчатом теплообменнике, то требуемая площадь теплопередачи может быть рассчитана с использованием основного уравнения теплообменника.

После расчета необходимой площади поверхности теплопередачи можно определить соответствующий диаметр, длину и количество трубок, а также определить размер и дизайн оболочки. Также необходимо спроектировать трубные решетки и перегородки.

Изображение кредита

Схема кожухотрубного теплообменника в разрезе — https://www.daviddarling.info/encyclopedia/H/AE_heat_exchanger.html

Блок-схемы кожухотрубного теплообменника

— https://en.wikipedia.org/wiki/Shell_and_tube_heat_exchanger

Об авторе

Доктор.Харлан Бенгтсон — зарегистрированный профессиональный инженер с 30-летним стажем преподавания в университете в области инженерных наук и гражданского строительства. Он имеет докторскую степень в области химической инженерии.

Типы кожухотрубных теплообменников — Кожухотрубный теплообменник является наиболее широко используемым типом промышленных теплообменников. Стенка трубы теплообменника является поверхностью теплопередачи. Он может иметь теплообменник с U-образной трубкой или теплообменник с прямой трубкой. Жидкость со стороны трубы может иметь один, два или четыре прохода.

Основы конструкции теплообменника — Основным параметром размера, рассчитываемым при проектировании теплообменника, является площадь поверхности теплопередачи. Для расчета теплообменника необходимы следующие параметры: общий коэффициент теплопередачи, скорость теплопередачи и средняя логарифмическая разница температур.

Комбинированная кондуктивная теплопередача и конвекционная теплопередача — Теплопередача посредством комбинации конвекционной теплопроводности может быть проанализирована с использованием теплопроводного сопротивления и конвективного теплового сопротивления. Эти термические сопротивления являются функциями теплопроводности, коэффициента конвективной теплопередачи и геометрических параметров.

Теплообмен кожухотрубными теплообменниками

Наименования деталей

1. Стационарный головной канал
2. Стационарный головной капот
3. Фланец неподвижной головки
   Канал или крышка
4. Крышка канала
5. Сопло со стационарной головкой
6. Стационарный трубный лист
7. Трубы
8. Ракушка
9. Фланец кожуха
   Стационарная головка
10. Фланец корпуса
    Задний головной конец
11. Раковина сопла
12. Фланец крышки корпуса

13. Лист с плавающей трубкой
14. Крышка с плавающей головкой
15. Фланец крышки с плавающей головкой
16. плавающая головка Подложка устройства
17. Tierods и проставки
18. Поперечные перегородки
    или опорные пластины
19. Пластина для удара
20. Вентиляционное соединение
21. Дренажное соединение
22. Подключение прибора
23. Поддержка Седло
24. Подъемная проушина
25. Пройти раздел

Пучкообменники несъемные

Эти типы устройств часто используются в службах высокого давления и службах, где вы хотите избежать проблем с утечками в соединениях с прокладками. Другое преимущество состоит в том, что они, как правило, более экономичны, чем конструкции съемных пучков.

NEU — наиболее экономичная из имеющихся конструкций. Трубная решетка приварена как к кожуху, так и к крышке. Доступа к оболочке нет. Трубки можно очищать химически, водоструйной или паровой очисткой только изнутри. Эти агрегаты обычно используются в системах с высоким давлением (например, в нагревателях питательной воды), где технологические условия позволяют равномерно проходить через теплообменники.

NEN — Трубные листы привариваются как к кожуху, так и к крышкам.Доступ к трубкам осуществляется через крышки на каналах. Эти агрегаты предпочтительны для конструкций с очень высоким давлением, поскольку их конструкция сводит к минимуму толщину трубной решетки и количество удерживающих фланцев высокого давления.

Сторона AEM / BEM / AEL-Shell полностью приварена, однако крышки съемные. Возможна химическая, механическая и струйная очистка трубок, однако у вас нет доступа к корпусу.

Следует избегать использования очистки паром на устройстве с фиксированной трубной решеткой, если устройство не имеет компенсатора со стороны кожуха.Пар заставит трубки расшириться и вырваться из трубной решетки, что приведет к отказу при запуске.

Дифференциальное тепловое расширение

Поскольку в обязанности теплообменников входит работа с жидкостями с разной температурой, расходом и тепловыми свойствами, происходит дифференциальное расширение металлов.
Когда конечная разница температур между жидкостями значительна, более 50-60 градусов, эти напряжения могут стать серьезными, вызывая деформацию кожухов и повреждение монтажных опор, труб для деформации трубной решетки или трубок, которые ломаются или смещаются из трубки простынь.
Конструкции с фиксированной трубной решеткой наиболее уязвимы к дифференциальному тепловому расширению, так как не предусмотрены внутренние средства для поглощения напряжений. Одним из широко используемых подходов является установка компенсатора в трубе-оболочке таких конструкций. Это экономичный подход для кожухов размером с трубу. Компенсатор также может быть установлен со стороны трубы в конструкциях с плавающей головкой, но производственные затраты намного выше.

Схема U-образного теплообменника

Альтернативные подходы включают в себя конструкцию пучка U-образных труб, чтобы каждая труба могла независимо расширяться и сжиматься по мере необходимости, или с помощью конструкции задней плавающей внутренней трубной решетки, которая позволяет всему пучку как единице расширяться и сжиматься.Плавающая головка обычно уплотняется относительно внутренней части оболочки с помощью набивки или уплотнительного кольца.

Конструкция с U-образной трубкой

, предлагая лучший ответ на дифференциальное тепловое расширение, имеет некоторые недостатки. Замена отдельных трубок может быть сложной или дорогостоящей, особенно для внутренних труб. Кроме того, внутренняя часть трубки не может быть эффективно очищена в U-образных изгибах. Эрозионные повреждения также часто наблюдаются в U-образных изгибах при высоких боковых скоростях трубы. В оболочках большого диаметра большая длина неподдерживаемой трубы в U-образных изгибах внешних трубок может привести к повреждению, вызванному вибрацией.

Конструкции теплообменников с плавающей головкой

В целях снижения термических напряжений и предоставления средств для снятия пучка труб для очистки было создано несколько конструкций плавающей задней головки.
Самая простая конструкция — это «протяжная» конструкция, которая позволяет полностью протягивать пучок труб через кожух для обслуживания или замены. Для того, чтобы вместить круг под болт с задней головкой, необходимо удалить трубы, что приведет к менее эффективному использованию размера корпуса. Кроме того, отсутствие труб приводит к увеличению кольцевых пространств и может способствовать уменьшению потока через эффективную поверхность трубки, что приводит к снижению тепловых характеристик.Некоторые конструкции включают в себя уплотнительные полосы, установленные в кожухе, чтобы блокировать перепускной пар.
Другой конструкцией плавающей головки, которая частично решает указанные выше недостатки, является «плавающая головка с разъемным кольцом». Здесь плавающая головка капот крепятся к разделенной кольцевой прокладке вместо трубной решетки.

Это устраняет диаметр окружности болта и позволяет заполнить оболочку полным комплектом трубок. Эта конструкция более дорогая, чем обычная сквозная конструкция, но широко используется в нефтехимической промышленности.Для применений с высокими давлениями или температурами или там, где желательно более надежное уплотнение между жидкостями, должна быть указана протяжная конструкция.
Два других типа, конструкции с «фонарным кольцом с внешней набивкой» и «сальником с внешней набивкой», предлагают менее надежное уплотнение против утечки в атмосферу, чем конструкции с протяжным или разрезным кольцом, но могут быть сконфигурированы для работы в одной трубе.

Корпуса конструкций

Самым распространенным типом кожухов ТЕМА является кожух «E», поскольку он наиболее подходит для большинства промышленных процессов охлаждения. Однако для некоторых приложений другие оболочки предлагают явные преимущества.
Например, конструкция оболочки ТЕМА-Ф предусматривает установку пластины продольного потока внутри узла трубного пучка. Эта пластина заставляет оболочку текучей среды перемещаться вниз по одной половине пучка труб, а затем вниз по другой половине, по сути, создавая схему противотока, которая лучше всего подходит для передачи тепла.
Этот тип конструкции может быть указан там, где требуется близкая температура приближения, и когда скорость потока позволяет использовать половину оболочки за раз.В приложениях с рекуперацией тепла или там, где требуется увеличенная тепловая длина для достижения эффективной общей теплопередачи, кожухи могут быть установлены с последовательными потоками.

Обычно используется до шести более коротких гильз, установленных последовательно, что приводит к противотоку, близкому к производительности, как если бы использовалась одна длинная гильза в конструкции за один проход.

Конструкции корпусов

TEMA G и H наиболее подходят для применений с фазовым переходом, где байпас вокруг продольной пластины и противоточный поток менее важны, чем равномерное распределение потока.В оболочке этого типа продольная пластина обеспечивает лучшее распределение потока в паровых потоках и помогает вымывать неконденсирующиеся вещества. Их часто рекомендуют использовать в горизонтальных термосифонных ребойлерах и полных конденсаторах.

TEMA J Кожухи обычно предназначены для работы с фазовым переходом, когда требуется значительно снизить падение давления на стороне кожуха. Они обычно используются в составе наборов с одним соплом, используемым в качестве входа и выхода.
J-образная оболочка специального типа используется для испарения жидкостей на стороне корпуса в затопленном состоянии.Отдельная емкость для отделения паров без трубок установлена ​​над основной J-образной оболочкой с выпускным отверстием для пара в верхней части этой емкости. Оболочка ТЕМА К, также называемая «ребойлер котла », указывается, когда боковой поток кожуха подвергается испарению.

Уровень жидкости в конструкции кожуха К должен только покрывать пучок труб, который заполняет конец кожуха меньшего диаметра.
Уровень жидкости контролируется жидкостью, протекающей по каналу на дальнем конце входного сопла.Увеличенная площадь корпуса служит для облегчения отвода паров кипящей жидкости в нижней части корпуса. Чтобы застраховаться от чрезмерного уноса жидкости с потоком пара, требуется отдельный резервуар, как описано выше.
Унос жидкости также можно свести к минимуму, установив сетчатый демистер на сопле выхода пара. U-образные пучки обычно используются с конструкциями оболочки K. Оболочки типа K дороги для испарения под высоким давлением из-за диаметра оболочки и необходимой толщины стенок.

Кожух TEMA X, или кожух с поперечным потоком, чаще всего используется в системах конденсации пара, хотя его также можно эффективно использовать при охлаждении или нагревании газа низкого давления.

Он обеспечивает очень низкий перепад давления на стороне кожуха и поэтому наиболее подходит для конденсации в условиях вакуума. Для обеспечения адекватного распределения паров конструкции X-образной оболочки обычно имеют зону, свободную от трубок, вдоль верхней части теплообменника. Также типично проектировать конденсаторы X-образной формы с проходным сечением в нижней части пучка труб, чтобы обеспечить свободный поток конденсата к выходному соплу. Тщательное внимание к эффективному удалению неконденсирующихся веществ жизненно важно для конструкций X-shell.

Другие страницы о теплообменниках

Часть 1: Теплообмен и типы теплообменников.

Часть 2: Кожухотрубные теплообменники.

Часть 3: Трубы и трубные листы теплообменников.

Часть 4: Сборка кожуха теплообменников.

Часть 5: Обозначения ТЕМА теплообменников.

Кожухотрубный теплообменник

Кожухотрубный теплообменник

Кожухотрубный теплообменник на сегодняшний день является наиболее широко используемым теплообменником в промышленности.На схеме ниже показано, что он состоит из ряда трубок, находящихся внутри кожуха теплообменника. Одна жидкость проходит по трубкам, а другая — через оболочку. Это предотвращает смешивание жидкостей друг с другом. Большая часть теплопередачи происходит через стенки трубок. Используется большое количество трубок, чтобы обеспечить большую площадь поверхности и более быструю теплопередачу.

Одна жидкость течет через внутреннюю часть (со стороны трубы) труб, а другая жидкость течет по внешней стороне (со стороны оболочки) труб.В случае протекания жидкости важно, чтобы внутренняя часть труб была заполнена жидкостью и не имела воздушных зазоров. Воздух имеет низкую теплопроводность и снижает скорость теплопередачи. Это снизит эффективность теплообменника и может привести к возникновению горячих точек, которые могут повредить трубки, если они не будут должным образом охлаждены. По этой же причине в пространстве за пределами трубок также не должно быть воздушных зазоров. Поскольку воздушные / газовые карманы поднимаются, их можно удалить с помощью вентиляционных отверстий, расположенных в верхней части теплообменника.

Кожухотрубный теплообменник

Пучок труб или пакет вставляется внутрь оболочки. Трубные решетки удерживают трубки на месте и образуют барьер, предотвращающий смешивание жидкости со стороны трубы с жидкостью со стороны оболочки. Серия перегородок направляет поток охлаждающей жидкости вперед и назад через пучок труб. На каждом конце теплообменника есть коллектор, который направляет горячую жидкость по трубкам. Эти коллекторы могут быть спроектированы так, чтобы обеспечивать один проход через трубы или несколько проходов.Съемные крышки открывают доступ для чистки.

В общем, не имеет значения, проходит ли горячая жидкость через трубки, а холодная через кожух (или наоборот), но следует учитывать следующие общие правила.

• Жидкость под более высоким давлением должна проходить через трубки (со стороны трубки). Это позволяет сэкономить на оболочке высокого давления.
• Жидкость, которая, скорее всего, вызовет засорение теплообменника, должна быть со стороны трубы. Внутреннюю часть трубок легче чистить, чем снаружи.
• Более агрессивная жидкость должна быть со стороны трубы.
• Трубки должны быть изготовлены из коррозионно-стойкого материала. Это намного дешевле, чем изготовление корпуса из этого материала, и в случае коррозии необходимо заменить только трубки.
• Если теплообменник работает как система жидкость-газ, то газ (с его большим удельным объемом) должен быть межтрубным.
• Более горячая жидкость обычно проходит по трубкам, а более холодная жидкость обычно проходит через оболочку, окружающую трубки

Многопроходный теплообменник
Кожухотрубный теплообменник, показанный на схеме выше, является «однопроходным» теплообменником. Здесь жидкость со стороны трубы проходит через теплообменник от одного конца до другого. Однако во многих трубчатых и кожухотрубных теплообменниках жидкость со стороны трубок движется назад и вперед через теплообменник на пути от входа к выходу. Данный тип теплообменника является многопроходным.

Многопроходные теплообменники используются для поддержания высокой скорости жидкости. Эта высокая скорость помогает остановить накопление грязи и накипи и способствует сильному турбулентному потоку внутри трубок. Этот турбулентный поток уменьшает толщину пограничного слоя и улучшает теплообмен.

Количество проходов в теплообменнике имеет практические ограничения. Максимальное практическое количество проходов — обычно восемь.На следующей схеме показан теплообменник, в котором жидкость со стороны трубы дважды проходит через теплообменник. Это двухходовой теплообменник. Жидкость на межтрубном пространстве ограничена одним проходом внутри одной оболочки, и этот тип теплообменника известен как теплообменник 1-2.

Фиксированная головка 1-2 Теплообменник

В этом теплообменнике трубки удерживаются в трубных решетках (по одной с каждого конца), и эти трубные решетки прикреплены к кожуху.

Снятие трубного пучка для проверки и очистки невозможно.Тепловое расширение также может быть проблемой, так как трубы и кожух будут расширяться с разной скоростью, вызывая накопление напряжения в трубных решетках и соединениях трубных решеток.

Конструкция трубного пучка и связанной с ним трубной решетки как автономного устройства позволяет решить проблемы доступа к теплообменнику. После этого установка и снятие этого устройства могут быть выполнены по желанию. На следующей схеме показан этот тип расположения.

Это конструкция с плавающей головкой. Здесь одна трубная решетка прикреплена к оболочке, а другая может свободно двигаться.Это позволяет возникать дифференциальное тепловое расширение. К свободному концу пучка труб прикреплен коллектор, обеспечивающий разделение жидкостей на стороне трубы и на стороне оболочки.

Плавающая головка 1-2 Теплообменник

Перегородки
Многопроходные трубы используются для увеличения скорости жидкости со стороны трубы и, как следствие, эффективности теплопередачи. Перегородки используются со стороны кожуха для увеличения скорости, заставляя жидкость проходить более длинный путь между входом и выходом.

На схеме ниже показаны два распространенных типа перегородок — сегментированная перегородка и дисковая и кольцевая перегородка. Эти перегородки гарантируют, что жидкость не пройдет по кратчайшему пути между входом и выходом, что приведет к образованию мертвых зон, где жидкость неподвижна и теплопередача плохая.

Сегментная перегородка

Дисковая перегородка с кольцом

Прикрепив перегородку к трубной решетке, можно создать два прохода со стороны кожуха.Такое расположение потока дает 2-4 теплообменника с плавающей головкой (2 прохода со стороны кожуха и 4 прохода со стороны трубы).

2-4 Теплообменник с плавающей головкой

Дифференциальное расширение
Тепловое расширение — очень важный фактор при выборе подходящего теплообменника. Различные металлы будут расширяться в разной степени при одинаковых изменениях температуры. Кроме того, один и тот же металл будет расширяться по-разному при различных изменениях температуры.

В теплообменнике температуры сторон труб и кожуха непостоянны по всему теплообменнику, и, что еще больше усложняет ситуацию, металлы, используемые для конструкции труб, кожуха и трубных решеток, обычно все разные.

Поскольку трубы обычно имеют тонкие стенки, нарастание напряжения может привести к короблению, растрескиванию труб или даже их отрыву от трубной решетки.

Теплообменник простого типа с трубками, закрепленными в трубных решетках, подходит только тогда, когда разница температур между кожухом и трубками небольшая.

Если между трубками и кожухом возникает большая разница температур, тогда необходима конструкция, которая преодолевает повреждающее воздействие неравномерного расширения. Одним из таких теплообменников является конструкция с плавающей головкой.

Плавающая головка позволяет трубкам расширяться и сжиматься независимо от оболочки. Еще одно решение этой проблемы — U-образный теплообменник. Такое расположение из-за изгиба каждой трубки позволяет каждой трубке расширяться и сжиматься независимо от остальных трубок в пучке труб.Проблема с этой конструкцией состоит в том, что трубы трудно очистить механическими средствами, и этот тип теплообменника следует использовать только тогда, когда может быть выполнена химическая очистка труб.

U-образный теплообменник

Другой тип кожухотрубного теплообменника — это байонетный теплообменник . Пучок труб образует серия концентрических трубок, при этом внешняя трубка каждой пары запечатана с одного конца. Каждая внутренняя и внешняя трубы прикреплены к отдельной трубной решетке, что позволяет снимать их независимо для очистки и ремонта.

Жидкость со стороны трубы входит в пучок через внутреннюю трубу и выходит через внешнюю трубу. У этого типа основная передача тепла происходит через внешнюю трубу. Расположение внутренних и внешних трубок позволяет использовать теплообменник с кожухом или без него. При использовании без оболочки трубки могут выступать прямо в сосуд. Байонетный теплообменник обычно используется для конденсации паров.

Байонетный теплообменник на вакуумном конденсаторе

Конденсаторы
Конденсатор представляет собой кожухотрубный теплообменник, который используется для охлаждения паров до жидкости.

Когда текучей средой со стороны кожуха является пар, передача тепла будет происходить от пара к более холодной текучей среде, протекающей по трубкам. Пар может переходить в жидкое состояние.Этот процесс называется конденсация , а теплообменник конденсатор . Конденсированный пар обычно называют конденсатом , а конденсированный пар продукта обычно называют дистиллятом . Конденсированная жидкость покидает теплообменник и хранится в сосуде, называемом приемником.

Как правило, пар является межтрубной средой, поскольку он имеет больший удельный объем. Пар конденсируется на внешней стороне трубок и стекает вниз на дно корпуса, где его удаляют.

Виды потока
В теплообменнике потоки жидкости можно организовать двумя способами:

• противоток
• параллельный поток.

Влияние на температуру на входе и выходе маслоохладителя — горячее масло охлаждается водой

В случае параллельного потока:

• высокая скорость теплообмена около входа, где разница температур наибольшая
• низкая скорость теплопередачи около выхода, где разница температур меньше
• температура охлаждающей воды не может быть выше температуры масла на выходе из охладителя.

С противотоком:

• разница температур остается довольно постоянной, поэтому скорость теплопередачи остается высокой по всей длине теплообменника
• возможно, чтобы температура масла, поступающего в охладитель, почти достигла температуры охлаждающей воды.

Следовательно, противоток обеспечивает гораздо лучшую теплопередачу, чем параллельный поток.

.