Теплообменник в котельной – назначение, принцип действия

Виды теплообменных аппаратов

Теплообменники очень разнообразны и имеют свою классификацию. При установке аппарата важно знать характеристики каждого вида, прежде чем выбрать подходящий.

Пластинчатый

Представляет собой соединение болтов для крепежа, рамы, камер и пластины. Рабочая пластина и рама разделены прокладками. Чтобы произвести монтаж такого оборудования, не нужно применять клей или другие смеси. Тепло подается с помощью трех режимов: прямоточного, смешанного и противоточного. Прибор легко чистить, гидравлическое сопротивление у него небольшое.

Погружной

Этот теплообменник выглядит как змеевик цилиндрической формы. Сам прибор помещен в сосуд с жидкостью. Удобство этой разновидности теплообменного аппарата в том, что тепло передается намного быстрее, чем через другие носители. Это происходит из-за такой конструкции устройства. Можно использовать только там, где можно включать теплообменник механически.

Графитовый

Данный вид не подвержен коррозии и разрушению другими веществами. Состоит прибор из следующих элементов: блоки и цилиндры, крышки, металлический корпус и решетки. За счет того, что протекание тепла из теплообменного аппарата в другой источник осуществляется по перекрестной схеме, обмен происходит быстрее. Материал, из которого сделано оборудование, защищает от внешнего воздействия.

Элементный

Все элементы данного теплообменника соединены вместе, в этом и есть особенность этой разновидности. Тепло подается только противоточно. Сам прибор представляет собой совокупность нескольких больших труб.

Спиральный

Оборудование включает в себя совокупность металлических листов спиралевидного типа, закрученных в специальном приборе. Механизм требует тщательной герметизации, без этого эксплуатироваться прибор будет плохо. Это можно сделать, сварив некоторые части теплообменного аппарата. Устройство весит не много и  эффективно работает, но данный теплообменник очень трудно обслуживать.

Витой

Теплообменник, который один из немногих переносит сильные скачки давления в теплосети. Сама конструкция похожа на концентрический змеевик и отлично защищена от перегрева и коррозии. Так этот вид может прослужить очень долго, не требует соблюдения особых условий эксплуатации и легко обслуживается.

Кожухотрубный

Этот прибор возмещает напряжение и состоит из следующих элементов: пучки труб, корпус, трубные решетки, крышки и патрубки. Такие приборы изготовляются как для эксплуатации в вертикальном виде, так и в горизонтальном. Стойкий к высокому давлению и напряжению.

Двухтрубный

Данный теплообменный прибор представляет собой трубы, различные по диаметру. Устройство передает воду и газ холодным теплоносителям, сохраняя при этом высокий уровень подачи тепла. Так же, как и кожухотрубный, справляется с напряжением и легко монтируется. Но стоимость такого прибора довольно высока.

Разделение теплообменников по следующим принципам:

• по степени передачи тепла
• Рекуперативные
• Регенеративные

• Смесительные
• Поверхностные

• Многоходовые
• Одноходовые

Как выбрать?

Хотя существует множество теплообменников, пригодность каждого типа (и конструкции) для передачи тепла между жидкостями зависит от специфики и требований применения. Эти факторы в значительной степени определяют оптимальную конструкцию желаемого теплообменника и влияют на соответствующие расчеты размеров и размеров. При проектировании и выборе теплообменника следует учитывать следующие факторы:

• Тип жидкости, поток жидкости и свойства
• Желаемая тепловая мощность
• Ограничения по размеру
• Затраты

Определение и классификация

Теплообменники — это технологические устройства, передающие тепло между двумя средами. Имплантаты различаются по принципу действия двух типов:

• Блоки восстановления. В этих устройствах хладагенты отделены друг от друга стенкой. К ним относятся более современные, в том числе теплообменники для горячего водоснабжения.
• Регенераторы. В этих устройствах средства, между которыми происходит теплообмен, поочередно касаются одной и той же поверхности. По принципу регенерации при контакте с горячим носителем тепло накапливается в твердом теле и передается холодному.

Теплообменник работает как на обогрев, так и на охлаждение. Этот фактор расширяет объем инсталляций. Теплообменники используются:

• в ЖКХ;
• на нефтеперерабатывающих, нефтяных, химических заводах;
• в энергетике;
• в пищевых и фармацевтических заведениях;
• в газовой отрасли.

Конкретная модель подбирается исходя из условий предстоящей операции. Были разработаны такие устройства, которые, помимо теплообмена, выполняют связанные функции. Теплообменные агрегаты, работающие по принципу рекуперации, делятся на типы в зависимости от направления движения жидкости:

1. прямой;
2. параллельное движение по тропе;
3. противоточные (чаще всего встречаются в пластинчатых теплообменниках);
4. противоток, с приближающимся параллельным движением.

Рекуперативные (поверхностные) теплообменники

В теплообменниках рекуперативного типа холодная и горячая жидкость протекают через агрегат, не смешиваясь друг с другом. Передача тепла происходит через металлическую стенку. Примерами рекуперативных теплообменников являются котлы, нагреватели, охладители, испарители, конденсаторы и т.д.

Классификация теплообменников по внутреннему строению:

• Кожухотрубные — про них мы написали отдельную статью с совместимостью оборудования от kvip.su. Есть возможность провода сред с твердыми включениями. Широкий модельный ряд: могут и охлаждать, и нагревать. Долгий срок эксплуатации.
• Пластинчатые (и про них у нас есть отдельная статья), в том числе паяные неразборные для нетривиальных задач. Малые гидравлические сопротивления, гофрированная или ребристая проточная поверхность для захвата площади поверхности теплообмена, герметичные прокладки, до 150 °С температуры среды. Требуют тщательной сборки для сохранения герметичности.
• Из оребренных труб.

Это и автомобильный радиатор, и внутренний (для испарения холодильного агента), и наружный (для вывода его в атмосферу) кондиционеры. Охладители, используемые, когда искать применение вторичному ресурсу нет смысла, в виде ряда оребренных труб содержат охлаждаемую среду и за счет ламелей (перемычек) увеличивают объем исходящего тепла. Когда для охлаждения невозможно использовать воду (например, из-за вероятности непредвиденной реакции на химическом производстве), конструкцию обдувают вентиляторы.

ВАЖНО! Медь — Cu (материал трубок) и алюминий — Al (метериал ламелей) — гальваническая пара, взаимодействие которых может привести к коррозии. Конденсат попадает на стык несовместимых элементов — и агрессивность реакции из-за воздействия среды приводит к временной или окончательной остановке работы оборудования и его замене.

• Спиральные.

Были изобретены в первой половине прошлого века и использовались в целлюлозно-бумажной промышленности для включения сред с твердыми частицами. Тонкие железные листы (2 или 4), соединенные с перегородкой (керном), свернуты в спираль и помещены в кожух. Для контроля расстояния в полостях и увеличения турбулентности (следовательно, и теплопередачи) есть бобышки (шипы). На концах каналов — торцевые крышки (в кожухе делаются отверстия с патрубками). С одной стороны канал уплотнен прокладкой, с другой заварен — обеспечена легкая чистка; может случиться протечка только одной среды. Если прокладка теряет свойства, то один канал заваривают с двух сторон, а второй уплотняют ещё. Если смешивать среды безопасно, сквозные каналы уплотняются прокладкой или манжетами.

• Секционные теплообменники. Сочетание участков с несколькими трубами и противотоком полезно при работе с постоянными состояниями сред. Отсутствие перегородок снижает потребность в чистке межтрубного пространства и потерям энергии. Такие теплообменники уступают в компактности спиральным и требуют дополнительных трат на решетки, присоединения и т. д.

Устройство, принцип работы простейшего теплообменника

Теплообменники различаются по конструкции, но работают по одному принципу. Чтобы понять это, рассмотрим простейшую конструкцию установки. Простейшее устройство — это емкость с рубашкой для охлаждения и нагрева. Рубашка окружает контейнер и создает кольцевое пространство, в которое подается жидкость или пар (теплоноситель). Если в кольцевое пространство налить холодную воду, жидкость в основном баке охлаждается. Если рубашка заполнена охлаждающей жидкостью, материал в основном баке будет нагреваться.

Регенеративные теплообменники

В теплообменниках регенеративного типа одна и та же поверхность нагрева поочередно подвергается воздействию горячей и холодной жидкости. Тепло, связанное с горячей жидкостью, накапливается или поглощается забором или твердыми частицами. После этого прекращается подача горячей жидкости, и холодная жидкость проходит через отборы или твердые частицы для регенерации тепла.Примером такого типа теплообменников являются регенераторы мартеновской печи, стекловаренной печи и т. д .

В регенеративных теплообменниках жидкость по обе стороны от теплообменника почти всегда одна и та же. Жидкость проходит через теплообменник, часто достигая высоких температур. Жидкость может пройти стадию обработки, а затем она охлаждается, проходя обратно через теплообменник в противоположном направлении для дальнейшей обработки, и цикл повторяется.

Это устройство дает значительную чистую экономию энергии, так как большая часть тепловой энергии утилизируется. Необходимо добавить лишь небольшое количество дополнительной тепловой энергии на горячем конце и потерять на холодном конце для поддержания высокой температуры.

Рекуперативные и регенеративные установки могут также называться поверхностными конденсаторами.

Пример: Регенеративный воздухоподогреватель

Преимущества: За счет простого устройства задействуется больше количества теплоты, чем в поверхностных теплообменниках

Недостатки: Теплопередача — нестационарная. Для непрерывной работы при одинаковом периоде нагрева и охлаждения у аппарата должно быть два параллельно работающих участка.

Типы теплообменников по используемым средам

Среда:

• теплообменники жидкость — жидкость кожухотрубные и пластинчатые для систем горячего водоснабжения, охладители моторного масла;
• парожидкостные кожухотрубные нагреватели (пар в кожухе и жидкость в кожухотрубных). Деаэратор парового котла — смесительный теплообменник, включая отопительную воду;
• пар-пар — в стерилизаторах;
• парогаз: использование тепла выхлопных газов газовых турбин;
• газ-газ — конденсация, испарение;
• газ-жидкость — используется в теплообменниках-потребителях.

По направлению движения поверхностные теплообменники могут быть:

• противоток, в противоточном устройстве горячая и холодная жидкость движутся в противоположных направлениях.
• прямой поток, параллельный поток горячей и холодной жидкости в одном направлении. Это также называется параллельной потоковой передачей.
• поперечный поток, в устройстве поперечного потока горячие и холодные жидкости движутся под прямым углом друг к другу

Принцип действия

В таком аппарате происходит сразу несколько процессов: конвекция, тепловое излучение и теплопроводность. Теплообменник функционирует следующим образом:

• через отверстия в передней и задней плитах устройства из труб поступает тепло внутрь теплообменного аппарата;
• пристенный слой на большой скорости подачи тепла запускает процесс, который принято называть турбулентностью. Иными словами, происходит обмен сферами по разным сторонам пластины;
• те пластины, которые расположены параллельно относительно друг друга, образовывают специальные коридоры – рабочие каналы. Они позволяют средам непосредственно производить тепловой обмен.

Существует два принципа перемещения тепла по теплообменнику:

• многоходовой: предусматривает движения по одинаковому количеству каналов;
• одноходовой: потоки сразу выходят за пределы теплообменника, без повторного цикла.

На мощность оборудования влияет в первую очередь количество пластин. Чем их больше – тем и устройство работает мощнее. Нельзя забывать об установке очистительного фильтра и регулярной профилактике оборудования, чтобы продлить срок эксплуатации.

Схемы подключения

Технический теплообменный аппарат подключается к системе тремя способами:

1. Независимая конфигурация.
2. Параллельная (или одноэтапная) конфигурация предполагает установку оборудования, судя по названию, между двумя коммуникациями. Регулировка производится 1-м клапаном.
   Суть процесса — постоянная фиксация заданной температуры. Это простая конструкция, обеспечивающая хорошую теплопередачу, но потребляющая большие объемы хладагента.
3. Двухступенчатая конфигурация эффективно использует тепловую энергию из обратного потока. Приготовление жидкости осуществляется в группе по 2 единицы.
   Такой теплообменник называется моноблоком, т.е. 2 пластинчатых теплообменника, выполненных на каркасе. Первая ступень теплообмена нагревает воду за счет обратного потока воды из системы отопления примерно до +40 градусов. Второй этап теплообмена продолжает процедуру и доводит температуру воды до +60 градусов, что соответствует общепринятому стандарту температуры горячей воды. В этом случае возможно соединение теплообменников любого типа. Этот метод отличается низким расходом теплоносителя — до 40% за счет использования неиспользованного оставшегося тепла от возвратного потока системы отопления и, как следствие, высоким КПД.

Грамотный выбор схемы подключения обеспечивает экономичную работу. Для этого необходимо правильно подключить сантехнические режимы горячего водоснабжения и отопления.