В современном техническом обществе потребность в теплообменных аппаратах крайне велика. Они используются повсеместно: на промышленных предприятиях, нефтеперерабатывающих комплексах, в судостроении, в пищевом производстве… даже в быту. Банальная «батарея отопления» – по сути, тот же теплообменник. Соответственно, имеет место неисчислимое количество теплообменных аппаратов (сокр. ТА) – они разнятся в зависимости от выполняемой задачи и конкретных условий применения.

Классификация

Существует обширная классификация ТА по множеству признаков – их более полутора десятков. К примеру, по роду теплонесущих сред теплообменники разделяются на агрегаты

  • жидкость + газ;
  • газ + газ;
  • жидкость + пар и т.д.

Наиболее общее деление проводят по принципу действия. С этой точки зрения выделяют

  • поверхностные рекуперативные
  • поверхностные регенеративные
  • контактные.

Начнём с последних.

  1. Контактные ТА получили такое название по причине того, что теплонесущие среды в них вступают в непосредственный контакт друг с другом. Как правило, это несмешивающиеся вещества типа жидкость + газ, чаще всего воздух и вода. Этот тип теплообменных аппаратов достаточно специфичен.

В качестве яркого примера можно привести так называемые градирни, они же охладительные башни. Огромные «трубы» необычной формы, которые можно наблюдать на территории тепловых электростанций, на самом деле не служат для выброса в атмосферу каких-либо отходов. Это – гигантские теплообменники. В них горячая вода распыляется, капли охлаждаются атмосферным воздухом. Охлаждённая вода поступает обратно в теплоотводный контур станции. А то, что можно принять за дым над градирней, на самом деле является чистым водяным паром.

Теплообменники. Рисунок 1

  1. Поверхностные регенеративные ТА называются так по двум причинам. Во-первых, в них присутствует посредник между теплонесущими средами – определённая поверхность. Во-вторых, эта поверхность попеременно остывает и нагревается, омываемая теплонесущими средами поочерёдно. То есть, имеет место циклическая регенерация (восстановление) тепловой энергии упомянутой поверхности.

Регенеративные теплообменники не менее специфичны, чем контактные. Как пример, можно упомянуть процесс выплавки стали. Расплавленный метал сверхвысоких температур охлаждается до приемлемых параметров, проходя через систему минеральных блоков, «кирпичей» сложной конфигурации. Минеральные блоки стойко принимают излишек жара от металлической массы, а затем охлаждаются естественным путём – окружающим воздухом, или искусственно – водой.

Теплообменники. Рисунок 2

  1. Поверхностные рекуперативные теплообменники функционируют по иному принципу. В них также наличествует поверхность теплообмена – но теплонесущие среды омывают её одновременно с обеих сторон. При этом более горячая среда опосредованно, сквозь материал «перегородки», отдаёт тепло холодной. Несмотря на то, что в процессе обмена один теплоноситель теряет, а другой – приобретает тепловую энергию, температура передающей поверхности остаётся в целом неизменной. Такая ситуация носит название рекуперации.

 

Наглядно разницу между тремя типами теплообменников можно выразить так.

Имеется чашка чересчур горячего чая. Чай можно охладить разными способами:

  • Если дуть на чай – получится контактный теплообмен, воздух контактирует с чаем.
  • Если поместить в чай несколько предварительно охлаждённых ложек (да, есть такой способ!) – произойдёт регенеративный теплообмен.
  • Поставьте чашку с чаем в миску с холодной водой – налицо рекуперативный теплообмен.

Рекуперативные теплообменники – наиболее распространённый вид теплообменных аппаратов. Для них предусмотрена собственная система классификации. В частности, по конфигурации теплообменной поверхности. Чаще других можно встретить пластинчатые и кожухотрубные ТА.

Пластинчатые ТА

Пластинчатый теплообменник в упрощённом виде представляет собой металлическую трубку, на которой через равные промежутки размещены металлические же пластины. Внутри трубки проходит первый теплоноситель, пластины снаружи омываются (обдуваются) другим. Тепловая энергия передаётся от первого теплоносителя стенкам трубы, от них – пластинам, и от пластин – второму теплоносителю. Либо, если пластинчатый ТА функционирует как охладитель – в обратном направлении.

Как правило, пластинчатые ТА работают с парой теплоносителей жидкость + газ. Это связано с тем, что для достижения необходимой эффективности пластины должны быть расположены на трубках как можно чаще. При таком расположении ток жидкости между пластин может быть затруднён, замедлен – тогда как газ ввиду куда меньшей плотности проходит свободно.

Пластинчатые теплообменники легко найти в повседневной жизни: это

  • уже упомянутая «батарея отопления» в современном исполнении;
  • часть системы охлаждения автомобильного двигателя (радиатор);
  • конструкционный элемент кондиционеров воздуха, сплит систем и т.д.

К «плюсам» пластинчатых ТА можно причислить относительную простоту обслуживания – для очистки пластины достаточно продуть струёй сжатого воздуха.

К минусам – ориентированность на систему жидкость + газ, а также умеренные характеристики теплообмена: разница температур между теплоносителями редко превысит несколько десятков градусов. Даже у ТА с принудительным обдувом. Кроме того, тонкие пластины весьма хрупкие и требуют крайне осторожного обращения.

Теплообменники. Рисунок 3 Теплообменники. Рисунок 4 Теплообменники. Рисунок 5

Кожухотрубные ТА

Кожухотрубные теплообменные аппараты более универсальны. Они представляют собой целую совокупность труб (т.н. трубный пучок), помещённых в закрытый герметичный кожух. По трубам проходит один теплоноситель, внутри кожуха – другой. В зависимости от поставленной задачи, требуемых характеристик, у кожухотрубных ТА может различаться

  • длина труб;
  • диаметр труб;
  • материал труб
  • количество труб в пучке;
  • форма труб (прямые, U-образные, гладкие, с турбулизаторами);
  • соответственно – объём кожуха;
  • направление тока теплоносителей и др.

Кожухотрубные ТА используются везде, где требуется осуществлять теплопередачу с минимальными потерями и максимальной эффективностью. Эффективность кожухотрубных теплообменников с парой жидкость+жидкость или пар+жидкость на порядок выше, нежели у пластинчатых. В конструкцию каждого современного кожухотрубного аппарата закладывается запас прочности на случай аварийного повышения давления. Поэтому они давно и с неизменным успехом применяются в коммунальном хозяйстве, в химпроме, в нефтегазовой отрасли, в охлаждающих системах сверхмощных двигателей (в частности, корабельных – гражданских и военных), в энергетике (в том числе атомной); везде, где востребованы их уникальные характеристики.

К «минусам» кожухотрубных теплообменных аппаратов можно отнести несколько более сложную процедуру очистки.

К плюсам…

  • универсальность;
  • тепловую эффективность;
  • прочность;
  • надёжность;
  • долговечность, и многое другое.

Теплообменники. Рисунок 6

АО «ЦЭЭВТ» уже более четверти века производит различные типы теплообменных аппаратов собственной разработки. Основной специализацией компании является создание кожухотрубных ТА улучшенных показателей с турбулизированными трубами трубного пучка. Каждый ТА изготавливается по индивидуальному проекту, с учётом всех практических нюансов, технических условий и особых пожеланий клиента. Теплообменные аппараты «ЦЭЭВТ» установлены на сотнях объектов от Калининграда до Владивостока; и на судах арктического флота, и на двух строящихся ТЭС в Крыму.

Всё вышеперечисленное позволяет причислить АО «ЦЭЭВТ» к безусловным лидерам рынка.

Сравнительная таблица характеристик для основных типов теплообменных аппаратов.

Контактные
Регенеративные
Рекуперативные
пластинчатые
кожухотрубные
Специализация
узкая
узкая
широкая
универсал
Макс. температура
x 100°С
> 1000°C
х 10°C
x 100°C
Эффективность
средняя
средняя
средняя
высокая
Осн. тепловые пары
жидкость + газ
жидкость + газ

жидкость + жидкость

жидкость + газ
жидкость + жидость

жидкость + газ

жидкость + пар

пар + газ

Материалы

теплопроводящей

поверхности

минеральные

сталь

медь

сталь

алюминий

медь

сталь

медь

латунь

чугун

морская бронза

титан

Прочность
высокая
средняя
средняя
высокая
Дефектоскопия
визуальная
визуальная
визуальная

аппаратная

аппаратная

визуальная

Ремонтопригодность
высокая
высокая
средняя
средняя
Срок эксплуатации
до 25 лет
до 5 лет
до 10 лет
более 25 лет