Теплообменник

Теплообменник - устройство, предназначенное для обмена теплом между греющей и обогреваемой рабочими средами. Последняя в ряде случаев называется теплоносителем. Примером может служить аппарат для пастеризации молока, в котором холодное молоко нагревается горячей водой, протекающей по внутренним трубам.

Классификация

Теплообменник поверхностного типа

Ребристый теплообменник

По назначению:

• подогреватели,
• конденсаторы,
• охладители,
• испарители,
• паропреобразователи и т.д.

По принципу действия:

• Рекуперативные
• Регенеративные
• Смесительные

В контактных (смесительных) теплообменниках потоки греющего и нагреваемого веществ приводятся в прямой контакт друг с другом. Типичный пример — струйный конденсатор, в котором разбрызгиваемая вода используется для конденсации водяного пара. В теплообменниках поверхностного типа теплоноситель и нагреваемая среда разделяются тонкой стенкой. Часть поверхности стенки, соприкасающаяся с греющим и нагреваемым потоками, называется поверхностью теплообмена. Примером теплообменника поверхностного типа может служить автомобильный радиатор, в котором вода системы охлаждения двигателя и более холодный атмосферный воздух находятся по разные стороны стенок решетки из тонких медных или латунных радиаторных трубок. В жаротрубных теплообменниках в результате сгорания топлива образуется поток горячих газов, как, например, в паровых котлах и бытовых котлах водяного отопления с топочным устройством.

Дальнейшая классификация теплообменных аппаратов основана на различиях их конструкции. На рисунке представлен часто встречающийся теплообменник кожухотрубного типа. Широко распространены также теплообменники с развитой поверхностью (пластинчатые, или ребристые). В них за счет применения поперечных ребер достигается значительное увеличение площади поверхности теплообмена. Отношение площадей поверхности ребер и неоребренной части труб может достигать 10. Правда, поверхность ребер менее эффективна в отношении теплопередачи, нежели собственная поверхность труб. И все же правильно спроектированный ребристый теплообменник более компактен, чем теплообменник без оребрения труб, т.е. при одинаковых рабочих условиях у него более высокая интенсивность теплопередачи, приходящаяся на единицу объема. Поперечные ребра теплообменника, показанного на рисунке, припаиваются к трубам твердым или мягким припоем.

Современные бытовые отопительные котлы на 85 % состоят из поверхности теплообменника, являющегося важнейшим элементом конструкции. В зависимости от того, как геометрически сконструирован теплообменник котла, а также из какого материала он сделан, во многом определяются экономические и экологические характеристики котельного агрегата.

Можно выделить три основных материала, применяющихся для изготовления теплообменников:

• медь,
• сталь,
• чугун.

В последнее время на рынке стали появляться котлы с теплообменниками из нержавеющей стали и алюминиевых сплавов.

Стальной теплообменник

Самые простые технологически - котлы со стальными теплообменниками. Именно они в большей мере распространены среди продукции отечественных котлостроителей.

Основные достоинства котлов со стальными теплообменниками - относительно невысокая цена и хорошая пластичность материала. Последнее имеет большое значение, так как в процессе эксплуатации теплообменник периодически подвергается прямому тепловому воздействию пламени горелки, вследствие чего в нем возникают так называемые тепловые напряжения, способные привести к образованию трещин в корпусе теплообменника.

К недостаткам стальных теплообменников относится их подверженность коррозии. В процессе работы котла коррозионному воздействию подвергаются как внутренняя, так и наружная поверхности теплообменника, вследствие чего может произойти его разрушение. Минусами стального теплообменника являются также его сравнительно большие вес и объем - характеристики, отражающие степень инерционности. Другими словами, часть газа будет расходоваться на нагрев теплообменника и находящейся в нем воды, т.е. не все тепло используется по назначению - на нагрев теплоносителя. Чем больше вес и внутренний объем теплообменника, тем больше топлива будет израсходовано напрасно.

Чугунный теплообменник

Прессовочный материал для сборки котла с чугунным теплообменником

Котел с чугунным теплообменником

Следующий вариант - чугунный теплообменник. Он характеризуется стойкостью к коррозии и долговечностью. Чугун предъявляет высокие требования к соблюдению правил проектирования и эксплуатации котла. Его неравномерный нагрев (например, из-за появления отложений в надгорелочной части при использовании плохо подготовленной воды) вызывает растрескивание материала. Существует также опасность растрескивания чугунного теплообменника из-за разности температур в зоне нагрева и в месте входа в него воды из обратной линии системы отопления. Чтобы избежать этого, в схему включают дополнительный элемент - четырехходовой смесительный клапан, добавляющий в "обратку" на входе в котел горячую воду из прямой линии. Если вместо обещанных 20 лет эксплуатации чугунный теплообменник прослужил сезон, продавец, как правило, сославшись на несоблюдение условий эксплуатации, отказывается бесплатно выполнить замену теплообменника, стоимость которого часто составляет 50-60 % стоимости котла. К сожалению, наиболее уязвимыми оказываются именно дорогие импортные котлы, и связано это с высокой технологией литья, позволяющей изготавливать теплообменники с более тонкими стенками. Уместно сравнение чугунного теплообменника с качественным мощным автомобилем: при условии высоких эксплуатационных расходов он будет служить долго и надежно, обеспечивая необходимый комфорт.

Минусы чугунных теплообменников - высокая стоимость, хрупкость (подверженность образованию трещин при неправильной эксплуатации), высокая инерционность, вследствие большого веса и объема, а также громоздкость.

Медный теплообменник

Медный теплообменник

Последний тип теплообменника - медный. Его положительные качества - устойчивость к коррозии, небольшой вес и объем (низкая инерционность), компактность. К недостаткам медных теплообменников принято относить низкую надежность. Но в настоящее время это, скорее, дань традиции, чем объективная реальность. Дело в том, что медный теплообменник способен при значительно меньших размерах передавать больше тепла, и на единицу его массы приходится значительно большее тепловое воздействие, чем у стального и, особенно, чугунного теплообменника. Именно поэтому в котлах старых конструкций теплообменник быстро разрушался. В современных котлах по мере нагрева воды мощность горелки уменьшается до 30 % (а у некоторых моделей и более), снижается и температурное воздействие на теплообменник, что продлевает срок его службы. Практика показывает: по долговечности медные теплообменники котлов, оснащенных необходимыми функциями, практически не уступают чугунным.

Интенсивность теплопередачи

Интенсивность теплопередачи (тепловой поток) пропорциональна разности температур греющего и нагреваемого веществ. Кроме того, она зависит от термического сопротивления пленок рабочих тел, находящихся в контакте с поверхностью теплообмена, и термического сопротивления стенки. Вследствие образования твердых отложений на поверхностях теплообменника (накипи) термическое сопротивление возрастает. Если термические сопротивления берутся в расчете на единицу площади поверхности теплообмена, то полная интенсивность теплопередачи пропорциональна также площади теплообмена в теплообменнике. Все сказанное выражается следующим уравнением теплопередачи:

где q — тепловая мощность теплообменника, Вт; A — площадь поверхности теплообмена, м²; D_t — средний температурный напор, т.е. средняя разность температур теплоносителя и нагреваемой среды, К; R — полное термическое сопротивление, учитывающее все указанные выше его слагаемые, м²ЧК/Вт; U — полный коэффициент теплопередачи (величина, обратная R), Вт/(м²·К).

Поскольку величина U отнесена к площади A, при ее определении необходимо указывать соответствующую площадь поверхности теплообмена (например, в случае ребристых теплообменников — площадь только неоребренной поверхности труб или полную площадь поверхности теплообмена с учетом ребер).

При заданных температурах греющего и нагреваемого потоков на входе и выходе теплообменника средний температурный напор D_t максимален в противоточных теплообменниках, т.е. таких, в которых два потока направлены навстречу друг другу. В прямоточных же теплообменниках, в которых потоки направлены в одну сторону, величина D_t минимальна. Возможна еще и перекрестная схема тока. Во многих теплообменниках обычных типов встречаются все три основные схемы тока, как, например, на рисунке, где перекрестная схема тока сочетается с прямоточной и противоточной.

В случае достаточно чистых поверхностей теплообмена полное термическое сопротивление R зависит в основном от скоростей течения у поверхности теплообмена, а также от плотности, вязкости, коэффициента теплопроводности и удельной теплоемкости теплоносителя и нагреваемой среды. В некоторых случаях термическое сопротивление пленки одной из рабочих сред намного меньше, чем термическое сопротивление другой. Поскольку же эти термические сопротивления <включены> последовательно, полное термическое сопротивление определяется большей компонентой. Так обстоит дело, например, в секции экономайзера парового котла, где полное термическое сопротивление определяется сопротивлением пленки газа, поскольку сопротивление на стороне воды сравнительно невелико. Это обстоятельство позволяет существенно уменьшить объем экономайзера, если применить оребрение труб на стороне того теплоносителя, термическим сопротивлением которого определяется полная интенсивность теплопередачи. Ребристые экономайзеры применяются во многих силовых установках судов торгового и военно-морского флота.

Применение

На паротурбинных электростанциях важнейшими теплообменными устройствами являются паровой котел и конденсатор. Имеются и другие теплообменники, назначение которых — повысить тепловой КПД электростанции или улучшить ее эксплуатационные характеристики: термические деаэраторы, экономайзеры, воздухоподогреватели и подогреватели питательной воды. Точно так же основными компонентами всякой холодильной системы с замкнутым циклом являются испаритель и конденсатор. Теплообменники широко применяются в перерабатывающей и химической промышленности, например в установках для нефтепереработки. Они играют важную роль также на атомных электростанциях.

Тепловые трубы

Тепловая труба — это устройство для переноса тепловой энергии из нагретой области (<источника>) в холодную область (<сток>) с КПД, намного большим, чем при использовании любых высокотеплопроводных металлов. Если подводить тепло к одной секции такой герметичной трубы, содержащей жидкость, то часть жидкости будет испаряться, поглощая большие количества тепла. Пары, переходя в другую секцию, будут конденсироваться и отдавать тепло. Вернув сконденсировавшуюся жидкость обратно, мы получим замкнутый цикл. Перенос жидкости из зоны конденсации в зону испарения в тепловой трубе осуществляется за счет капиллярных сил в фитиле, закрепленном на внутренних стенках трубы. Фитиль в тепловой трубе действует так же, как и в старых керосиновых лампах, в которых керосин поступает из резервуара к пламени по фитилю.

Тепловая труба была предложена как средство отвода тепла в космических летательных аппаратах: тепло, выделяемое электронными приборами, отводится к наружным стенкам КЛА и там за счет излучения рассеивается в космосе. В пилотируемых космических кораблях тепло солнечного излучения должно равномерно распределяться по всему КК, чтобы обеспечивалась необходимая комфортность (чего можно добиться также за счет медленного вращения космического корабля). В связи с этим тепловая труба, способная осуществлять теплоперенос в условиях невесомости, сразу же нашла практическое применение при исследовании космического пространства.

Благодаря той простоте, с которой тепловые трубы работают в условиях нормальной силы тяжести, на их основе были созданы энергосберегающие теплообменники. <Сбросное> тепло отходящих газов печи или топки можно улавливать посредством теплообменника с решеткой из тепловых труб, один конец которой омывается отходящими газами, а другой — потоком холодного свежего воздуха. Свежий воздух нагревается за счет тепла отходящих газов, передаваемого посредством рабочего тела тепловой трубы. Для увеличения площади поверхности теплообмена трубы можно оребрить. Компактная система такого рода способна сберегать 60—70% энергии, которая иначе просто терялась бы, рассеиваясь в атмосфере. Нагретый воздух можно использовать для отопления или подавать в топку (например, парового котла) в качестве предварительно подогретого воздуха для горения топлива.

На практике обычно применяются либо горизонтальные тепловые трубы, либо наклонные с нижней нагреваемой секцией. Сила тяжести способствует возврату жидкости в испарительную секцию, а фитиль равномерно распределяет ее по всей поверхности. Но разработаны и т.н. антигравитационные тепловые трубы, в которых нагреваемая секция расположена выше охлаждаемой.

Тепловая труба может работать в широком диапазоне температур, если в качестве рабочих жидкостей использовать воду, обычные хладагенты и жидкие углеводороды. Превосходными рабочими жидкостями оказываются жидкие металлы при высоких температурах. Например, одно экспериментальное устройство с расплавленным серебром в вольфрамовом резервуаре проработало сотни часов при температуре выше 2200 К.

В настоящее время миллионы тепловых труб работают в энергосберегающих теплообменниках и в промышленных технологических установках. Тысячи тепловых аккумуляторов такого типа отводят тепло из тундрового грунта под Аляскинским нефтепроводом. За счет охлаждения, происходящего в зимние месяцы, слой грунта под нефтепроводом поддерживается замерзшим на протяжении всего лета. Тепловые трубы все шире применяются и в повседневной жизни.