Промышленность, отечественная и зарубежная, выпускает весьма значительное количество самых разнообразных моделей теплообменных аппаратов, различающихся по области применения, функциональным особенностям и прочим параметрам. Их полная классификация может производиться по более, чем пятнадцати различным признакам, включая специальные технические: по направлению взаимного движения потоков теплонесущих сред, количеству проходов теплоносителя (одно-, двухходовые теплообменники и т.д.), наличию внешнего оборудования и прочим параметрам. Более упрощённая, практическая классификация позволяет условно разделить теплообменники на виды по их устройству и принципу работы.

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 1. Теплообменник типа «труба в трубе».

 Схема 2. Кожухотрубный теплообменник.

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.

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.

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.
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.