Коэффициент теплопередачи — важнейший фактор при проектировании теплообменников. В мире наиболее высокими коэффициентами теплопередачи обладают металлы и металлические сплавы. Именно поэтому трубы и пластины, применяемые в теплообменниках — то есть все компоненты тепловой системы — выбираются из этой группы материалов. AISI 316, AISI 304 и титан относятся к самым популярным материалам отрасли.
В большинстве теплообменников нет внешних тепловых или механических воздействий. Типовая система работает за счёт испарения и конденсации однокомпонентных или многокомпонентных потоков жидкости с нагревом или охлаждением другого теплоносителя. Одна сторона отдаёт тепло, другая — поглощает. Другие применения теплообменников: рекуперация тепла, стерилизация, конденсация жидкости и технологическое управление.
1. Классификация теплообменников
Теплообменники работают по законам тепловых систем: они передают тепло путём переноса тепловой энергии (энтальпии) от одной жидкости к другой. Типовые применения — нагрев и охлаждение, а также испарение или конденсация однокомпонентных и многокомпонентных жидкостей.
В большинстве случаев теплопередача происходит на поверхностях тонких пластин или труб, разделяющих жидкости. Эти стенки препятствуют смешению потоков и обеспечивают лучший контроль над горячей и холодной средой. Теплообменники, в которых жидкости разделены пластинами или трубами, называются «пластинчатыми теплообменниками» или «U-образными трубчатыми теплообменниками».
Ключевое требование к теплообменнику — он должен быть спроектирован для передачи тепла от одной жидкости к другой и соответствовать законам термодинамики. Наиболее распространённые типы — кожухотрубные и пластинчатые теплообменники.
1.1. Теплообменники с фиксированными трубами
В этой модели для увеличения теплопроводной поверхности труб применяются дополнительные рёбра; они приварены, что снижает себестоимость и повышает эффективность. Однако пучки труб нельзя снять.
1.2. Съёмные пучки труб
Для обеспечения долгого срока службы изделия или определения положения жидкости пучки труб по запросу могут быть сняты, очищены и снова установлены. Самый простой способ справиться с засорами — демонтировать и очистить трубы; после тщательного осмотра они могут быть заменены или возвращены на место.
1.3. Теплообменники с прямыми трубами
Пучки труб удерживаются вместе зажимами. Противоположная сторона находится в полном контакте с жидкостью и остаётся свободной. Подвижная часть крепится болтами к корпусу, что предотвращает протечки и деформацию труб. Этот тип передаёт энтальпию напрямую; накопленная тепловая энергия рассеивается по всей теплопроводной площади или матрице. Примеры — котлы, радиаторы, градирни и конденсаторы.
1.4. Пластинчатые теплообменники
Пластинчатые теплообменники состоят из двух металлических пластин, образующих систему с узкими каналами и пластиковыми прокладками. Угловые зоны пластин с большой поверхностью образуют точки входа и выхода потока, а узор матрицы и каналы между пластинами увеличивают площадь теплообмена. Жидкости отдают и принимают тепло на проходимых поверхностях. Разделение на каналы обеспечивает теплообмен между горячей и холодной средой без их смешения. Благодаря большой площади теплообмена этот тип предпочитают другим.
1.5. Регенеративные теплообменники
В регенеративных теплообменниках одна и та же жидкость проходит через обе стороны; это возможно как в пластинчатых, так и в трубчатых аппаратах. Система позволяет достигать очень высоких температур жидкости; выходящий поток обычно используется для охлаждения другого. Благодаря цикличной работе почти всё тепло выходного потока передаётся, и достигается охлаждение. Для поддержания постоянной температуры требуется лишь небольшое количество энергии.
1.6. Адиабатические цилиндрические теплообменники
В этом типе вторая жидкость является промежуточной средой и полностью контактирует с трубами, по которым проходит первая жидкость, обеспечивая теплопередачу. Трубы, расположенные по окружности, создают во второй жидкости большую поверхность теплообмена.
Классификация по функции
По количеству жидкостей
- 2 жидкости
- 3 жидкости
- N жидкостей
По механизму теплопередачи
- Двусторонняя однофазная конвекция
- Односторонняя однофазная конвекция
- Двусторонняя двухфазная конвекция
- Смешанная конвекция и излучение
По процессу теплопередачи
- Прямой контакт
- Газ-жидкость
- Жидкость-пар
- Несмешивающиеся среды
- Косвенный контакт
- Прямая передача
- Накопительного типа
- Псевдоожиженный слой
По компактности поверхности
- Газ — жидкость
- Компактные (β > 700 м²/м³)
- Некомпактные (β < 700 м²/м³)
- Жидкость — жидкость
- Компактные (β > 400 м²/м³)
- Некомпактные (β < 400 м²/м³)
По конструкции
- Трубчатые
- Двойная труба
- Спиральная труба
- Витые трубы
- Кожухотрубные
- Пластинчатые
- Сварные
- С прокладками
- Паяные
- Спиральные
- Штампованные
- Со змеевиком пластин
- С развитой поверхностью
- Пластинчато-рёберные
- Трубчато-рёберные
- Регенеративные
- Вращающиеся
- С неподвижной матрицей
- С вращающимися пластинами
По схеме движения жидкостей
- Однопроходные (single-pass)
- Противоточные
- Перекрёстноточные
- С разделённым потоком
- Многопроходные (multi-pass)
- С развитой поверхностью
- Пластинчатые
- Кожухотрубные
Конструкция: площадь, рёбра и соединения
Эффективность теплообменников зависит от факторов теплопередачи — узора матрицы, методов распределения тепла, патрубков, коллекторов, ёмкостей, труб и уплотнительных элементов. Важнейший из них — площадь теплообмена: чем больше контактная поверхность жидкостей, тем выше теплопередача. Поэтому максимизация поверхности — основная цель проектирования.
С другой стороны, элементы распределения тепла должны быть изолированы для предотвращения теплопотерь и повышения эффективности системы. Патрубки, головные соединения и аналогичные элементы должны затягиваться с правильным моментом и монтироваться корректно. В противном случае снижается безопасность тепловой системы, происходит смешение жидкостей и появляются потери давления. Руководства по эксплуатации служат основой для технического обслуживания, ремонта и правильного использования. За исключением вращающихся моделей регенеративных теплообменников, большинство теплообменников не имеют подвижных частей; вращающиеся модели используют двигатели для повышения давления и расхода.
Достаточно небольшой контактной площади между поверхностями раздела для инициирования теплопередачи — это называется прямой поверхностной проницаемостью. Другой метод увеличения теплопередачи — использование рёбер. Рёбра обычно устанавливаются перпендикулярно (90°) поверхности и увеличивают площадь теплопередачи, обеспечивая больший теплообмен при той же температуре. В качестве побочного эффекта они вызывают конвекцию на поверхности, рассеивают тепло излучением и могут приводить к конденсации на корпусе. В итоге снижается тепловое сопротивление поверхности.
Рёбра также повышают прочность матрицы, что позволяет применять более плотные и вязкие жидкости. Расстояние между рёбрами влияет на распределение температуры: при увеличении расстояния теоретическая эффективность падает, но мгновенное давление снижается и обеспечивается непрерывность циркуляции.
Критерии наименования
Теплообменники называются по разным критериям: по процессу теплопередачи, количеству жидкостей, механизму теплопроводности, типу конструкции и схеме движения потоков. Ещё один критерий — отношение теплопередачи к объёму; компактные теплообменники — это меньшие и более удобные модели по этому показателю. Отрасль применения, типы компонентов и параметры проектирования также приводят к разным наименованиям. Тип жидкости (газ-газ, газ-жидкость, жидкость-жидкость) — ещё один распространённый признак классификации.
2. Процесс теплопередачи
Процесс теплопередачи в основном используется для различения прямых и косвенных теплообменников. В прямых теплообменниках теплопередача происходит при смешении жидкостей — по этому принципу работают градирни. В косвенных теплообменниках жидкости не смешиваются; теплопередача осуществляется через разделяющие их поверхности.
2.1. Пластинчатые теплообменники
Пластинчатые теплообменники состоят из пластин с тиснёным узором матрицы и рамы. Пластины, обычно изготовленные из нержавеющей стали, особенно подходят для требующей высокой гигиены пищевой промышленности.
Активная геометрия пластин позволяет проектировать матрицу и максимизировать эффективность системы, расширяя сферу применения. В сочетании с лёгкой очисткой и обслуживанием пластинчатые теплообменники являются наиболее распространёнными в мире. В сложных применениях они выступают альтернативой другим типам. Принцип работы — естественная теплопроводность. Параметры проектирования варьируются: тип пластины (узкая или широкая площадь), марка пластины (AISI 304, AISI 316, титан) и количество пластин определяются под конкретное применение. По сравнению с кожухотрубными аппаратами проектирование и расчёты проще.
2.2. Преимущества и недостатки пластинчатых теплообменников
Преимущества:
- Противоточная схема благоприятна и позволяет уменьшить площадь теплообмена.
- Различные варианты конструкций пластин обеспечивают широкие возможности в тепловой эффективности.
- На поверхности матрицы между пластинами поток жидкости турбулентный, что повышает теплопередачу.
- Поскольку только кромки пластин контактируют с атмосферой, дополнительная изоляция не требуется.
Недостатки:
- При низком давлении газов и жидкостей сложно обеспечить высокие расходы.
- Не подходит для очень высоких давлений: уплотнительные прокладки повреждаются при высоком давлении и температуре.
Тепловая эффективность напрямую зависит от конструкции матрицы и свойств жидкости, проходящей по её поверхности. Направление противотока, схема тепловой матричной поверхности, а также узкая или широкая длина матрицы — ключевые параметры, определяющие производительность пластинчатого теплообменника в конкретном применении.
2.3. Анализ потерь давления
Общие допущения системы:
- Теплообменник работает в стационарном (steady-state) режиме.
- Потери тепла через корпус или раму очень малы и ими можно пренебречь.
- Внешний источник тепловой энергии не требуется.
- В параллельных и противоточных потоках мгновенные значения температуры регулярны.
- Коэффициент теплового сопротивления остаётся постоянным по всему теплообменнику.
- В пределах теплообменника фазовый переход жидкостей отсутствует.
- При отсутствии утечек теплопередача протекает сбалансированно.
- Не зависящие от времени постоянные значения температуры и положения обеспечивают как общую, так и локальную теплопередачу.
- Поток должен быть стационарным и изотермическим; свойства жидкости не зависят от времени.
- Температуры на входе и выходе влияют только на характеристические свойства, например плотность.
- Точки давления не зависят от направления потока жидкости.
- Внешние силы, действующие на теплообменник, — только сила тяжести и, при наличии, электрические и магнитные поля.
- Согласно принципу Бернулли, течение должно происходить вдоль линии тока.
- Поверхностное трение (шероховатость) принимается равным по всей матрице.
Компоненты потерь давления:
- Для несжимаемых жидкостей потери давления пропорциональны поверхностному трению и длине пути потока.
- Потеря давления жидкости напрямую связана с коэффициентом теплопередачи, методом эксплуатации, размером пластины и механическими свойствами материала.
- Потери давления можно рассчитать по характеристикам теплообменника: полные потери по матрице, входные и выходные трубные соединения, головки и коллекторы; сужения в соединениях также вызывают падение давления.
Заключение
Благодаря гибкости конструкции и способности к развитию, теплообменники проектируются под требования пользователя с регулируемыми диапазонами нагрева и охлаждения. Эти характеристики обусловливают их широкое применение в энергетике, нефтехимии, логистике, вентиляции и охлаждении.
