Теплообменники являются неотъемлемой частью многих промышленных процессов, обеспечивая эффективный перенос тепла между различными средами. Они находят применение в самых разнообразных областях — от химической и нефтяной промышленности до систем отопления и охлаждения в жилищно‑коммунальном хозяйстве. Разнообразие конструкций и принципов работы теплообменников позволяет подобрать оптимальные решения для каждой конкретной задачи, будь то нагрев, охлаждение или рекуперация тепла. Этот материал подготовили мы, научная группа из Московского Энергетического института. В этой статье мы рассмотрим основные виды теплообменников, их принцип действия, а также ключевые особенности применения.

Водо‑водяной подогреватель — является основным и самым дорогостоящим элементом теплового пункта. Наиболее широкое распространение в системах отопления, горячего водоснабжения получили кожухотрубные и пластинчатые теплообменные аппараты.

В кожухотрубных теплообменниках основными конструктивными элементами являются цилиндрический корпус, трубная решетка, крышки, трубный пучок, сегментные перегородки (при необходимости). Для подвода и отвода рабочих сред агрегат снабжается штуцерами.

Передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному осуществляется за счет конвективного теплообмена через разделяющую стенку. Проходное сечение межтрубного пространства в таких теплообменниках превышает проходное сечение труб в 2,5 — 3 раза, в результате чего коэффициенты теплоотдачи в межтрубном пространстве из‑за различия скоростей теплоносителей могут быть значительно ниже чем в трубном пространстве. В таком случае для улучшения теплообмена агрегаты выполняют многоходовыми. Организация ходов по трубному пространству может выполняться при помощи продольной перегородки в распределительной камере. В межтрубном пространстве для этого устанавливаются поперечные перегородки, дополнительно выполняющие роль опор трубного пучка, фиксируя трубы на заданном расстоянии друг от друга, и снижающие вибрации.

Конструкции поперечных перегородок:

• с секторным вырезом — теплоноситель при помощи дополнительно установленной продольной перегородки совершает постоянное вращательное движение, турбулизирующее поток;

• сплошные — движение жидкости осуществляется через кольцевой зазор между трубой и перегородкой, что увеличивает скорость теплоносителя и вследствие чего толщина ламинарного пограничного слоя уменьшается;

• с сегментным вырезом — наиболее часто применяются за счет наибольшей эффективности.

Из‑за различия температур используемых теплоносителей для компенсации напряжений, появляющихся вследствие различных температурных расширений труб и кожуха применятся следующие виды компенсаторов:

• линзовые — состоят из одной или нескольких линз, имеющих небольшие размеры и малый вес, но обладают невысокой компенсирующей способностью и большими распорными усилиями, имеют небольшой диапазон работы по давлению. Понижают температурные напряжения за счет деформации своих гибких элементов;

• сальниковые — применяются при давлениях более 1,6 МПа, отличаются большой компенсирующей способностью, малыми габаритными размерами, небольшим гидравлическим сопротивлением. Используются для аппаратов с малыми диаметрами, так как могут пропускать рабочую среду, что требует их периодического регулирования. Компенсация в них осуществляется посредством проскальзывания концов труб;

• теплообменники с U‑образными трубами — в таких аппаратах обеспечивается свободное удлинение труб, что исключает возникновение температурных напряжений. Механическая очистка внутренней поверхности труб почти невозможна, поэтому необходимо использовать теплоноситель, не образующий отложений. Обладают значительными изгибающими напряжениями, повышенной металлоемкостью из‑за образуемого свободного пространства, обусловленного изгибом труб. Помимо этого, в них отсутствует возможность замены труб при выходе их из строя и при большом числе труб возникают сложности их размещения;

• теплообменники с плавающей головкой — в таких агрегатах одна из трубных решеток неподвижно связана с корпусом, а другая имеет возможность свободного осевого перемещения. При нагревании и удлинении трубок они могут перемещаться внутри кожуха со стороны подвижной решетки. При повышенном давлении сред (5–10 МПа) возможна установка дополнительного компенсатора, размещенного в удлиненном штуцере.

Крепление труб в трубных решетках чаще всего осуществляется развальцовкой. При этом способе крепления в трубную решетку устанавливается труба с зазором, затем ее диаметр расширяют до обеспечения полной герметизации и надежного сцепления. Приваривание труб производится в случае циркуляции в теплообменнике агрессивных сред, которые при соединении с воздухом могут образовывать взрывчатые смеси, при недопустимом смешении теплоносителей, при малой толщине трубной решетки для увеличения механической прочности соединения, при опасности возникновения коррозии на поверхности трубы в месте ее соприкосновения с отверстием в решетке, при тяжелых условиях работы вследствие повышенных температур и давлений или их резких колебаний. Также при большом количестве труб с малым диаметром (12–16 мм) может применяться пайка — организация неразъемного соединения двух металлов при помощи третьего, называемого припоем. В редких случаях возможно сальниковое соединение труб, позволяющее им свободно перемещаться в продольном направлении и снижать до минимума температурные деформации. Также при таком креплении при необходимости возможна быстрая замена труб. Но существенными недостатками такого соединения являются его высокая стоимость, сложность и недостаточная надежность.

В межтрубное пространство направляется теплоноситель с большим расходом и большей вязкостью для обеспечения меньшей скорости движения. На тепловых пунктах чаще всего устанавливаются горизонтально расположенные теплообменники для простоты обслуживания.

Основные достоинства кожухотрубных теплообменников:

• высокая эффективность за счет большой поверхности теплообмена;

• возможность работы в широком диапазоне давлений, температур;

• возможность работы с агрессивными средами;

• повышенная стойкость к гидроударам;

• простота обслуживания, заключающаяся в удобстве проведения механической очистки как внутренних труб, так и кожуха;

• пониженные требования к чистоте воды;

• ремонтопригодность.

Недостатки:

• высокая металлоемкость;

• высокая стоимость;

• габариты, в результате чего затруднено их применение на ограниченных пространствах.

Основным конструктивным элементом пластинчатых водоподогревателей является пластина, выполняемая гофрированной для интенсификации теплообмена. Агрегат состоит из группы пластин, подвешиваемых к верхней направляющей 3. Концы направляющих закрепляются с одной стороны в неподвижной плите 1 и с другой стороны на стойке 7. При помощи подвижной плиты 2 и стяжных шпилек 6 пластины при сборке сжимают в один пакет.

Пластины штампуют из тонколистовой стали или других металлов и сплавов. Для повышения компактности и увеличения коэффициента теплоотдачи профили выполняют различной формы. В настоящее время производители теплообменников имеют собственные запатентованные профили поверхностей пластин, среди которых можно выделить несколько основных видов:

• плоские и канальчатые пластины — характеризуются зигзагообразными или спиральными каналами, как правило, применяются совместно с гладкими пластинами. Попарное соединение таких пластин позволяет создать две системы каналов, изолированных одна от другой теплопередающей стенкой;

• пластины ленточно‑поточного типа — представляют собой периодически повторяющиеся гофры различной формы, расположенные параллельно к меньшей стороне пластины, отличаются конструктивным разнообразием в формах и размерах деталей;

• пластины сетчато‑поточного типа — в них турбулизирующие элементы профиля одновременно создают сетку взаимных опор между пластинами, что позволяет увеличить жесткость пакета и обеспечить его нормальные условия эксплуатации при более высоких давлениях.

Герметизация каналов обеспечивается при помощи резиновых прокладок различных форм. Каждая пластина имеет резиновую кольцевую прокладку, ограничивающую канал для одной из движущихся сред и охватывающую два угловых отверстия, через которые может происходить переток теплоносителей, а также две малые резиновые прокладки, изолирующие два остальных отверстия и обеспечивающие свободный проход для второй рабочей среды. Горячий и холодный теплоносители движутся в зазорах, образуемых между двумя смежными параллельными пластинами. Движение может осуществляться прямотоком, противотоком, по смешанной схеме. Возможно выполнение аппаратов следующих конструкций:

• разборные — изготавливаются из отдельных пластин с прокладками, приспособлены для очистки всей теплообменной поверхности, могут применяться для работы с вязкими средами, требующими увеличенной ширины канала, позволяют относительно просто изменять мощность теплообменника с помощью изменения типа и количества пластин, производить легкую очистку пластин и каналов аппарата, заменять пластины в случае необходимости их ремонта. Но из‑за применения межпластинчатых уплотнений накладывается ограничение на температуры и давления теплоносителей, их загрязненность механическими примесями;

• паяные — в такой конструкции соединение пластин между собой осуществляется пайкой с помощью никеля, используемого для более агрессивных сред, или меди, благодаря этому обеспечивается более высокая компактность. Такие агрегаты имеют более прочную конструкцию, поэтому обладают повышенными техническими рабочими характеристиками, позволяют работать с агрессивными средами, имеют более низкую стоимость по сравнению с другими видами пластинчатых аппаратов. Их применение затруднено при работе с загрязненными средствами, так как очистка в таких агрегатах может осуществляться только химическим способом с остановкой его функционирования и без возможности проверки результата промывки;

• полусварные — в таких аппаратах пакет пластин выполняется комбинированным способом. Пластины попарно свариваются между собой, к внешней стороне которых прикрепляются уплотнения, и далее следующая такая пара. Подобная конструкция позволяет использовать в качестве одного из теплоносителей агрессивную среду, чтобы исключить возможность ее утечки;

• сварные — в такой конструкции пластины свариваются между собой без применения уплотнителей. Могут использоваться в процессах с высокими параметрами температур и давлений, а также с агрессивными средами, поскольку соединение сваркой исключает возможность протечки и смешения сред. Обладают длительным сроком службы и меньшими затратами на обслуживание, могут быть спроектированы с более сложными и нестандартными конфигурациями в зависимости от требования технического процесса.

Преимущества пластинчатых теплообменников:

• компактность, вследствие малой толщины пластин и их параллельного расположения с небольшими зазорами для течения теплоносителя;

• невысокая металлоемкость;

• возможность изменения тепловой мощности при помощи увеличения или уменьшения поверхности теплообмена путем добавления или удаления пластин, корректировки схемы движения теплоносителей.

Недостатки:

• малая тепловая инерционность;

• высокая стоимость обслуживания;

• высокое гидравлическое сопротивление, что требует более мощных насосов;

• необходимость использования очищенной воды;

• нестабильность коэффициента теплопередачи;

• зависимость гидравлических потерь от жесткости воды;

• плохая ремонтопригодность;

• ограниченная температура теплоносителя из‑за физических свойств материала прокладки;

• необходимость строгих условий сборки для обеспечения герметичности.

Авторы материала: Темрина Д.Н., Гужов С.В.