Виды теплообменников: конструкция, принцип работы и применение

Теплообменники играют ключевую роль в системах теплоэнергетики, отопления, вентиляции, кондиционирования, химической, пищевой, нефтегазовой и других отраслях. Их задача передавать тепловую энергию от одного теплоносителя другому без смешивания сред. В этой статье мы рассмотрим основные типы теплообменников, для чего нужны, их конструкционные особенности, принципы действия и сферы применения. Вы узнаете, что нужно учитывать при выборе, как организовать эффективный теплообмен.

Особенности оборудования

Теплообменник – устройство, предназначенное для эффективного переноса тепла между двумя или более средами (жидкостью, газом, паром) с разной температурой. В процессе теплообмена одна среда отдает часть своей тепловой энергии, вторая поглощает ее. Теплообмен может происходить:

• через стенку, разделяющую среды (классический теплообменник);
• при непосредственном контакте теплоносителей (контактные или смесительные теплообменники);
• с помощью фазовых переходов (например, испарение и конденсация в холодильных установках).

Теплообменный аппарат осуществляет передачу тепла от горячего носителя к холодной среде. В случае теплообменников это два потока (жидкости, газа или пара), которые не смешиваются между собой, но контактируют через теплопроводящую стенку (чаще всего металлическую). Через эту стенку и происходит передача тепловой энергии. В теплообменник поступают два вида теплоносителя:

• горячий, который отдает тепло;
• холодный, который его принимает.

Например, горячая вода нагревает холодную воду, пар греет масло, или воздух охлаждается с помощью воды. Между потоками находится стенка из теплопроводящего материала (например, сталь, медь), через которую и происходит теплообмен. Эта стенка может быть гладкой (в трубчатых аппаратах), гофрированной (в пластинчатых теплообменниках), с ребрами (для увеличения площади теплоотдачи). Потоки могут двигаться:

• в одном направлении (прямоток);
• в противоположных направлениях (противоток — самый эффективный способ);
• перекрестно (крестовой поток).

Процесс продолжается, пока не достигнуто тепловое равновесие или пока среды не покинут аппарат. Теплообменные аппараты необходимы для нагрева или охлаждения жидкостей в технологических процессах, рекуперации (возврата) тепла, снижения затрат энергии (например, при нагреве воды не электричеством, а отработанным паром), теплоизоляции процессов, где среды нельзя смешивать.

Виды теплообменников

Классификация теплообменников осуществляется с учетом ряда признаков. По способу теплообмена выделяют:

• Поверхностные (контактно-барьерные) модели – тепло передается через стенку, разделяющую среды.
• Смесительные (контактные) – теплообмен происходит путем непосредственного контакта сред.

По типу движения носителей теплообменные аппараты могут быть прямоточными (среды движутся в одном направлении), противоточными (среды движутся навстречу друг другу, самый эффективный тип), крестовыми (потоки движутся под углом, чаще всего под прямым).

Типы теплообменных аппаратов с учетом конструктивного исполнения:

• Кожухотрубчатый теплообменник. Состоит из пучка труб, помещенного в цилиндрический кожух. Один теплоноситель движется по трубам, другой по межтрубному пространству. Горячий теплоноситель отдает тепло стенкам труб, которое затем передается другому теплоносителю, обычно применяется противоточное или перекрестное движение. К плюсам можно отнести надежность и долговечность, возможность работы под высоким давлением, устойчивость к загрязнениям. Теплообменник этого типа имеет крупные габариты, сложный в ремонте и очистке. Области применения – энергетика, нефтехимическая промышленность, системы отопления и ГВС.
• Пластинчатый теплообменник. Популярный тип теплообменников, в основе набор гофрированных металлических пластин, установленных в герметичном корпусе, количество которых можно наращивать. Между пластинами образуются каналы для движения теплоносителей. Теплообмен происходит через пластины, потоки сред движутся по соседним каналам навстречу друг другу (противоток). Плюсы – высокая эффективность, компактность, легкость разборки и очистки, замена прокладок. Среди минусов – ограниченные показатели давления и температур, неустойчивость к загрязнению при плохой фильтрации. Области применения – пищевая промышленность, теплообмен в вентиляционных установках, системы отопления и кондиционирования.
• Трубчатый (змеевиковый). В основе одна или несколько изогнутых труб, заключенных в корпус или размещённых открыто в среде. Один теплоноситель движется по трубке (змеевику), второй снаружи нее, контактируя с поверхностью. К преимуществам относят надежность, простоту в изготовлении, хорошую устойчивость к агрессивным средам. Но КПД ниже среднего, размеры громоздкие. Области применения – бойлеры, системы отопления, емкостные водонагреватели.
• Паяный пластинчатый теплообменник. Аналог пластинчатого, но элементы в основе спаяны (чаще всего медью), что обеспечивает герметичность и компактность. Постоянное движение теплоносителей по чередующимся каналам без риска утечек между потоками. Преимущества – компактность, высокая теплопередача, герметичность. Но невозможна разборка для очистки, а чувствительность к загрязнениям высокая. Применяются модели в системах отопления, горячего водоснабжения, тепловых насосах, холодильных установках.
• Спиральный. Популярный вид теплообменников на основе из пары металлических лент, которые сворачиваются в спираль и разделены перегородками, образующими каналы. Теплоносители движутся по спирали в противоположных направлениях, что обеспечивает эффективный противоток. Модели устойчивые к загрязнениям, имеют высокую эффективность при небольшой площади. Но они сложные в изготовлении и поэтому стоят выше среднего, возможности трудности с ремонтом. Устройства незаменимы в сточных водах, теплоутилизации, химпроме.
• Воздушно-ребристый. В основе данного вида теплообменника с ребрами для увеличения площади теплообмена. Воздух проходит между ребрами, второй теплоноситель по трубкам. Передача тепла идет от жидкости к воздуху или наоборот. Площадь теплового обмена увеличенная, размеры аппарата компактные. Модели требуют регулярной очистки от пыли, прочность при вибрациях ограниченная.

Устройство теплообменника может различаться, поэтому учитывайте решаемые задачи, условия эксплуатации. Наши специалисты ответят на интересующие вопросы и помогут подобрать оптимальную модель с доставкой в Москву и другие регионы. Консультации бесплатные.

Рекомендации покупателям

Правильный выбор вида теплообменников зависит от множества факторов. Среди них:

• температурный режим;
• давление и тип среды;
• допустимые габариты;
• требуемая мощность;
• устойчивость к загрязнению и коррозии;
• требования к обслуживанию.

Проектирование включает гидравлический и теплотехнический расчет, оценку коэффициента теплопередачи, подбор материалов и расчет площади теплообмена. Перед выбором теплообменника важно учитывать тип теплоносителя (вода, пар, воздух, масло, хладагент, агрессивные жидкости и т.д.), начальную и конечную температуру обоих потоков. Смотрите на показатели давления, диапазон перепада значений, вязкость, плотность, коррозионные свойства среды. Например, для агрессивных химических сред понадобятся пластинчатые теплообменники из титана, а для пара под высоким давлением - кожухотрубчатые из стали.

Мощность теплообменного оборудования должна соответствовать требуемой теплопередаче, объему проходящих теплоносителей, разности температур на входе и выходе, времени нагрева или охлаждения. Используются теплотехнические формулы или специализированные программы расчета. Противоток – это наилучшая эффективность теплообмена, прямоток проще в исполнении, но менее эффективен. Крестовая схема – компромисс между компоновкой и эффективностью, часто в воздушных системах.

Пластинчатые разборные виды теплообменных аппаратов можно легко разобрать, промыть, заменить пластины. Кожухотрубчатые чистятся реже, но сложнее. Паяные и сварные не обслуживаются, при загрязнении часто требуют замены. Если в системе грязная вода, присутствуют соли или частицы, обязательно нужен фильтр и доступ к чистке.

С развитием инженерии появляются новые материалы и подходы. Например, нанопокрытия способствуют улучшению теплоотдачи и снижению загрязнений. Автоматизированные системы очистки значительно упрощают уход и продлевают сроки службы. Также спросом будут пользоваться теплообменники со встроенной рекуперацией энергии, полимеры и композиты для агрессивных сред. На данный момент теплообменники являются неотъемлемой частью большинства инженерных систем. Правильно подобранные разновидность оборудования и конструкция позволяют обеспечить эффективную работу всей системы, повысить ее надежность, сократить энергопотери и расходы на обслуживание. Теперь вы знаете, как работает теплообменник, для чего он нужен, и сможете остановиться на модели, отвечающей текущим требованиям.

• Полезные материалы: Теплообменник из нержавейки или из меди: что лучше