Теплообменники

Что такое теплообменник?

Теплообменник – это технический аппарат, который можно обнаружить в своем собственном доме или квартире. Отопительная «батарея», конденсатор и испаритель бытового холодильника или кондиционера, автомобильный радиатор – ближайшие примеры теплообменных устройств, с которыми человек сталкивается в повседневной жизни. И гораздо чаще и многообразней, чем в бытовой технике, теплообменники применяются в различных отраслях промышленности и хозяйства.

По научному -  теплообменником называется теплотехнический аппарат, предназначенный для организации направленного обмена тепловой энергией между двумя различными, обязательно подвижными средами (теплоносителями), имеющими между собой разницу температур. Теплообмен может происходить: между жидкостью и жидкостью, газом и газом, жидкостью и газом.  Целью направленного теплообмена является -  нагревание одним теплоносителем другого (подвод тепла в нагревателях)  и охлаждение (отвод тепла в охладителях). Соответственно, теплоносители по направлению тепловой передачи различаются на нагревающую и нагреваемую или на охлаждающую и охлаждаемую среды.

Подавляющее большинство теплообменных аппаратов с подвижными средами работают по принципу рекуперации тепла, когда оба теплоносителя, участвующие в направленном теплообмене, разделены между собой теплопередающей поверхностью. Принцип работы рекуперативных теплообменников следующий: движущиеся по своим раздельным каналам среды направленно обмениваются тепловой энергией от более горячего теплоносителя к более холодному, через общую поверхность контакта. В противоположность рекуперативным устройствам, существуют еще регенерационные теплообменники, где нагревающий (охлаждающий) и нагреваемый (охлаждаемый) теплоносители контактируют с теплопередающей поверхностью поочередно.

Высокая эффективность теплообменников обеспечивается правильным подбором их конструкции, материалов, изготовления (толстостенных упрочненных, жаропрочных, химически стойких и т.д.), увеличением площади теплообмена за счет профилирования и рифления проходных каналов, и т.д. Повысить коэффициент полезного действия теплообменных аппаратов позволяет применение приборов регулирующей автоматики, которые призваны обеспечить их работу на оптимальных режимах.

Сферы применения теплообменных аппаратов

Области применения теплообменников -  разнообразны:

• системы отопления, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха или воды, применяемые в быту, коммунальном хозяйстве, на технике и в производстве;
• тяжелая индустрия и машиностроение – в системах отвода тепла из рабочей области (зоны) или наоборот, для ее подогрева, в системах рекуперации тепловой энергии из отработанных газов и т.д.;
• химическая промышленность – при создании необходимых температурных условий для прохождения химических реакций и фазовых переходов;
• пищевая промышленность и складское хозяйство – при создании температурных условий, необходимых как для производства продукции, так и ее хранения.

Типы теплообменников

По конструкции рекуперативные теплообменники бывают двух основный типов:

• Кожухотрубные, в которых проходные каналы для подвижных сред, участвующих в теплообмене, образованы трубчатыми элементами. При этом труба или группа труб для прохождения одного теплоносителя размещаются внутри другой трубы – кожуха, по которой проходит другой теплоноситель. Преимуществами кожухотрубных теплообменников являются простота в изготовлении и низкая стоимость, возможность применения толстостенных материалов, для обеспечения работы при высоких рабочих давлениях и температурах, существуют разборные модели с возможностью демонтажа пучка труб для обслуживания и ремонта. Из недостатков следует отметить сравнительно низкие коэффициенты теплопередачи и, как следствие, большую площадь поверхности теплообмена, за счет чего кожухотрубные аппараты отличаются большими габаритами и массой.
• Пластинчатые, в которых теплообмен между двумя средами ведется через контактные поверхности – пластины, изготовленные из коррозионностойких сталей. Зачастую такие пластины, уплотненные прокладками, пайкой или сваркой и образуют замкнутые проходные каналы для теплоносителей. Пластинчатые теплообменники, в сравнении с кожухотрубными, характеризуются высокой турбулентностью сред в каналах, высокими коэффициентами теплопередачи, способны при той же площади теплообмена, что и кожухотрубные теплообменники, передать большую тепловую мощность. Эффективность пластинчатых теплообменников, на сегодняшний день, считается самой высокой.

Разновидности кожухотрубных теплообменников

• Классическая кожухотрубная конструкция – группа теплообменных труб для одного теплоносителя находится внутри кожуха, по которому движется другой теплоноситель;
• «труба в трубе» - упрощенный вариант, когда внутри одной проводящей трубы находится другая проводящая труба. Конструкция весьма простая и дешевая для реализации, но обладает невысокой эффективностью теплообмена;
• геликоидные – улучшенная (интенсифицированная) конструкция, в которой применяются профилированные (накаткой геликоидных канавок) проводящие трубки, а также ребра геликоидного профиля, наваренные внутри кожуха. С помощью геликоидных профилей внутри труб создаются завихренные потоки, улучшающие условия теплообмена. По эго эффективности, геликоидные теплообменники приближаются к пластинчатым.

Разновидности пластинчатых теплообменников

• Разборные, состоящие из набора теплообменных пластин вместе с уплотнительными полимерными прокладками, которые образуют замкнутые каналы для теплопроводящих и теплоотводящих сред. Объединяют в себе высокую эффективность теплообмена, доступность для обслуживания (очистки), способность к модификации (путем добавления или уменьшения количества пластин).
• паянные, в которых пластины собраны в едином замкнутом (запаянном) корпусе, где с помощью термовакуумной пайки (медью или никелем) они уплотняются не прокладками, а паяными швами, и образуют сотовую структуру с раздельными каналами для циркуляции обоих теплоносителей – нагревающего и нагреваемого. Благодаря отсутствию полимерных прокладок, паяные теплообменники имеют более широкий диапазон рабочих температур, давлений, и рабочих сред (в том числе могут работать с фреонами). Но, паяные теплообменники являются условно неразборными, из-за чего могут очищаться исключительно химической промывкой. По этой причине они могут работать только с очень чистыми средами, не допускающими образования внутренних отложений.
• сварные (кожухопластинчатые). Принцип их устройства и работы примерно тот же, что и у паяных, но применяются они для гораздо больших тепловых мощностей, рабочих температур и давлений. Их пластинчато-сотовая структура образуется собранными в пакеты гофрировано-профилированными пластинами, скрепленными и уплотненными сварными швами, которые существенно прочнее паяных. Как правило, сварная пластинчато-сотовая структура помещается в разборный герметичный корпус (кожух), который служит для организации перекрестных потоков рабочих сред, и позволяет осуществлять доступ для обслуживания.

Для сильно загрязненных теплоносителей широко применяются другие типы теплообменников, такие как:

• спиральные, в этих теплообменниках раздельные прямоугольные каналы для движения сред образуются двумя стальными листами большой протяженности, приваренными к центральному коллектору, и завитыми вокруг него по спирали. При формировании спирали можно изменять ширину канала между листами для прохода сред в зависимости от вида сред, участвующих в процессе теплообмена.  Вся эта спиралевидная конструкция помещается в разборный цилиндрический корпус - кожух. Спиральные теплообменники обладают самой большой контактной площадью теплообмена, и применяются в ситуациях, когда теплоносители обладают большой вязкостью, способностью сред к блокированию каналов других типов теплообменников взвешенными мягкими частицами или высоко загрязненными твердыми механическими частицами.

Отдельно применяются конструкции теплообменников, в которых только одна среда циркулирует по замкнутому каналу, а вторая среда ее открыто омывает или обдувает. Такие типы теплообменников отличаются простотой организации теплообменных процессов, но одновременно с этим, обладают и низкой эффективностью теплообмена, конструкционной громоздкостью. К таким теплообменным аппаратам относятся:

• погружные, когда нагретая трубка – змеевик погружается в открытую емкость (ванну) с хладагентом;
• орошаемые, когда система труб орошается струями свободно стекающей жидкости;
• канальные калориферы, обдуваемые потоком воздуха. Обычный отопительный или автомобильный радиатор, испаритель и конденсатор холодильника – как раз такого типа.

В зависимости от материала, теплообменные аппараты могут изготавливаться:

• из углеродистой стали - для химически пассивных (неагрессивных) сред, таких, как нефтепродукты, или очень грязных сред, которые требуют частого обслуживания, для удешевления оборудования;
• из нержавеющей стали – для химически активных сред, пищевой промышленности, работы в широком диапазоне рабочих температур и давлений. Высоколегированные нержавеющие стали могут работать даже с концентрированными кислотами.
• из алюминия – при необходимости достичь конструкционной легкости;
• из специальных жаропрочных или холодостойких сплавов – для применения в высокотемпературной или криогенной технике;
• из титана – для применения с химически-агрессивными средами солевого состава (например, морской водой);
• из графита – для применения с химически-агрессивными средами кислотного состава (обычно - в технологических процессах производства промышленных кислот).

Основные технические характеристики теплообменников

Основным интегральным техническим параметром теплообменника является его тепловая мощность, которая выражается в способности, при заданных условиях работы, передать за единицу времени определенное количество тепловой энергии от одного теплоносителя к другому. Тепловая мощность зависит от коэффициента теплопередачи, площади теплообмена и средне логарифмической разницы температур между теплоносителями. Чем выше коэффициент теплопроводности, тем выше эффективность теплообменного процесса. Для повышения коэффициента теплопроводности теплообменника инженеры-конструкторы идут на всяческие ухищрения: от разработки специальных профилей, обеспечивающих высокую турбулентность сред внутри каналов, уменьшения площади их сечения, с целью повышения скоростей теплоносителей.

Другие важные технические характеристики теплообменников:

• разница входных температур теплоносителей, которая, наряду с площадью теплообмена, также определяет интенсивность теплообмена в устройстве. Чем больше разница входных температур, тем выше интенсивность теплообмена между ними.
• рабочее и максимальное давление теплоносителей. Его увеличение достигается применением более прочных и толстостенных материалов, усилением соединений и уплотнений.
• рабочая и максимальная температура теплоносителей – определяет условия работы и температурную стойкость теплообменника. Для ее увеличения применяются жаростойкие материалы и уплотнения.
• скорость прохождения теплоносителя через теплообменник. Являясь функцией от рабочего давления, площади сечения проводящих каналов и гидро- (газо-) динамического сопротивления системы, этот показатель определяет время контакта сред для проведения теплообмена, и в конечном итоге – его эффективность.
• разница температуры среды на входе в теплообменном аппарате и на выходе из него. Данный параметр также является интегральным, и характеризует общую эффективность процесса теплообмена, который происходит в теплообменнике. Чем разница температур теплоносителя на входе в устройства и на выходе из него больше, тем его эффективность – выше;
• степень химической (коррозионной) стойкости теплообменника – определяется химическим составом рабочих сред, и применяемых конструкционных материалов.

Важные эксплуатационные характеристики теплообменников:

• гидравлическое или газодинамическое сопротивление – определяет уровень энергетических затрат, необходимых для прокачки теплоносителя через теплообменник.
• габаритные размеры и масса – влияют на возможность и условия транспортировки, монтажа, размещения по месту и эксплуатации теплообменной аппаратуры.
• имеющиеся условия доступа для обслуживания и ремонта.

Расчет теплообменников

Производственные и хозяйственные условия применения теплообменных аппаратов весьма разнообразны. В зависимости от конкретных условий, они могут отличаться:

• решаемыми задачами – для отвода, или подвода тепловой энергии;
• необходимым количеством тепла, подлежащим отводу или подводу (тепловой мощностью);
• характеристиками теплоносителей – агрегатным состоянием (жидкость или газ), по плотности и вязкости, рабочим температурам и давлению, их химической активностью.

Исходя из этих отличий, в каждом конкретном случае применения теплообменного оборудования требуется ее инженерный (теплотехнический) расчет.

Расчет теплообменников и их подбор из имеющихся типовых конструкций выполняют инженеры-теплоэнергетики нашего предприятия, используя программные комплексы, обеспечивающие высокую точность определения всех параметров теплообменного оборудования. Для расчета любого типа теплообменника необходимы следующие исходные данные:

• мощность
• массовые расхода теплоносителей;
• температура сред на входе и выходе в аппарат;
• гидравлическое или аэродинамическое сопротивление;
• максимальное рабочее давление теплоносителей;
• максимальная рабочая температура

Результатом расчета теплообменного аппарата является определение необходимой площади теплообмена и массогабаритных характеристик. Площадь теплообмена может приниматься с запасом поверхности 10-15% для обеспечения дополнительного резерва мощности.

Основные производители теплообменников

На  рынке представлен достаточно широкий выбор теплообменных аппаратов различного назначения и конструкции, изготовлением которых занимаются многочисленные производители. Но среди них имеется ряд производителей, продукция которых зарекомендовала себя  с наилучшей стороны и пользуется популярностью у потребителей. К такому перечню самых популярных производителей (торговых марок) следует отнести:

• OPEKS Energysystems (ОПЭКС энергосистемы) – международная компания с представительствами в разных странах бывшего Союза, производит и поставляет широкий спектр теплообменных аппаратов – пластинчатые разборные, сварные, спиральные, кожухотрубные, титановые и графитовые, калориферы, утилизаторы и др.;
• SWEP – шведская компания, производитель качественных и очень популярных паяных теплообменников;
• TRANTER – глобальная корпорация со штаб-квартирой в США, один из крупнейших производителей разборных пластинчатых, кожухопластинчатых, компактных сварных теплообменников с фабриками расположенными в разных регионах мира, основное производство в США и Швеции;
• Alfa-Laval – это один из первых разработчиков пластинчатых теплообменников, производит различные теплообменники в ценовом сегменте выше среднего;
• Sondex – датская компания, которая недавно была приобретена другой датской компанией Danfoss для расширения своего присутствия в сегменте теплоснабжения;
• Funke – немецкая компания, изначально специализировалась на производстве трубчатых теплообмеников, в начале 2000х начала производить пластинчатые теплообменники;
• APV – датская компания, производитель пластинчатых теплообменников и насосов для промышленных задач;
• GEA – немецкая компания, производит широкую гамму теплообменного оборудования, имеет отдельное крупное подразделение по выпуску вентиляционного оборудования.