ТЕПЛООБМЕННИКИ

Существует четыре основные конфигурации потока:

Рисунок 1 иллюстрирует идеализированный противоточный теплообменник, в котором две жидкости текут параллельно друг другу, но в противоположных направлениях. Этот тип проточной системы обеспечивает наибольшее изменение температуры обеих жидкостей и, следовательно, является наиболее эффективным (где КПД — это количество фактически переданного тепла по сравнению с теоретическим максимальным количеством тепла, которое может быть передано).

Рисунок 1. Противоток.

В прямоточных теплообменниках потоки текут параллельно друг другу и в одном направлении, как показано на рисунке 2, это менее эффективно, чем противоточный поток, но обеспечивает более равномерную температуру стенок.

Рисунок 2. Встречный поток.

Поперечные теплообменники занимают промежуточное положение по эффективности между противоточными и параллельными теплообменниками. В этих установках потоки текут под прямым углом друг к другу, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3. Поперечный поток.

В промышленных теплообменниках часто встречаются гибриды вышеуказанных типов потоков. Примерами таких теплообменников являются комбинированные теплообменники с поперечным /противоточным потоком и многоходовые проточные теплообменники. (Смотрите, например, рисунок 4.)

Рисунок 4. Поперечный/встречный поток.

В этом разделе теплообменники классифицируются главным образом по их конструкции, Garland (1990), (см. Рисунок 5). Первый уровень классификации заключается в разделении типов теплообменников на рекуперативные и регенеративное. Рекуперативный теплообменник имеет отдельные пути потока для каждой жидкости, и жидкости проходят одновременно через теплообменник, отдавая тепло через стенку, разделяющую пути потока. Регенеративный теплообменник имеет единый проточный канал, по которому попеременно проходят горячая и холодная жидкости.

Рисунок 5. Классификация теплообменников.

В регенеративном теплообменнике канал потока обычно состоит из матрицы, которая нагревается при прохождении через нее горячей жидкости (это известно как «горячий удар»). Затем это тепло отдается холодной жидкости, когда она проходит через матрицу («холодный обдув»). Регенеративные теплообменники иногда называют емкостными теплообменниками. Хороший обзор регенераторов представлен Уокером (1982).

Регенераторы в основном используются для рекуперации газа на электростанциях и в других энергоемких отраслях промышленности. Регенераторы бывают двух основных типов: статические и динамические. Оба типа регенераторов работают непостоянно, и, если не соблюдать особой осторожности при их проектировании, обычно происходит перекрестное загрязнение горячего и холодного потоков. Однако в будущем использование регенераторов, вероятно, возрастет, поскольку предпринимаются попытки повысить энергоэффективность и утилизировать больше низкосортного тепла. Однако, поскольку регенеративные теплообменники, как правило, используются для специальных применений, рекуперативные теплообменники более распространены.

Существует много типов рекуперативных теплообменников, которые в целом можно разделить на непрямой контакт, прямой контакт и специальные. Теплообменники с непрямым контактом разделяют жидкости, обменивающиеся теплом, с помощью труб или пластин и т.д. Теплообменники с прямым контактом не разделяют жидкости, обменивающиеся теплом, и фактически полагаются на то, что жидкости находятся в тесном контакте.

В этом разделе кратко описаны некоторые из наиболее распространенных типов теплообменников и они расположены в соответствии с классификацией, приведенной на рисунке 5.

В этом типе пары разделены перегородкой, обычно металлической. Примерами таких теплообменников являются трубчатые теплообменники, см. рисунок 6, и пластинчатые теплообменники, см. Рисунок 7.

Трубчатые теплообменники очень популярны благодаря гибкости конструкции, позволяющей работать в широком диапазоне давлений и температур. Трубчатые теплообменники можно разделить на несколько категорий, из которых кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным.

Кожухотрубный теплообменник состоит из нескольких трубок, установленных внутри цилиндрического корпуса. На рисунке 8 показан типичный агрегат, который можно встретить на нефтехимическом заводе. Две жидкости могут обмениваться теплом, одна жидкость течет по внешней стороне труб, в то время как вторая жидкость течет по трубам. Жидкости могут быть однофазными или двухфазными и могут течь в параллельном или поперечно-встречном направлении. Кожухотрубный теплообменник состоит из четырех основных частей:

Популярность кожухотрубных теплообменников привела к разработке стандарта для их обозначения и использования. Это стандарт Ассоциации производителей трубчатых теплообменников (TEMA). Как правило, кожухотрубчатые теплообменники изготавливаются из металла, но для специальных применений (например, с использованием сильных кислот в фармацевтических препаратах) могут использоваться другие материалы, такие как графит, пластик и стекло. Обычно трубы также должны быть прямыми, но в некоторых криогенных установках используются спиральные или змеевики Хэмпсона. Простой формой кожухотрубного теплообменника является двухтрубный теплообменник. Этот теплообменник состоит из одной или нескольких трубок, содержащихся внутри трубы большего размера. В наиболее сложной форме многотрубный двухтрубный теплообменник практически не отличается от кожухотрубного. Однако двухтрубные теплообменники, как правило, имеют модульную конструкцию, и поэтому несколько узлов могут быть соединены болтами для достижения требуемой производительности. Книга Э.А.Д. Сондерса [Saunders (1988)] содержит хороший обзор трубчатых теплообменников.