Топлообменни апарати

Топлообменни апарати

Топлообменните апарати са устройства, които пренасят топлинна енергия между два и повече флуида при различни температури. Приложението им е в много области, , като: производство на електрическа и топлинна енергия, химическа и хранителна индустрия, електрониката, съоръжения за опазване на околната среда,  използване на отпадна топлина, хладилна и климатична техника, космическите апарати и много други. Класифицират се в следните групи, в зависимост от следните критерии:

1.Рекуперация и регенерация

2.Преносни процеси: директен контакт или индиректен контакт.

3.Геометрия на конструкцията : тръби; пластини или развити повърхности.

4.Механизъм за топлопренасяне : еднофазен или двуфазен.

5.Разположение на потоците : правоток, противоток или кръстосан ток.

Рекуперация и регенерация.

            Класическият топлообменен апарат, при който се извършва топлообмен между два флуида се нарича рекуператор, защото единият поток извлича (възстановява)  част от топлинната енергия на другия поток. Топлообменът се осъществява през топлопроводна стена или през границата на двата потока, в случай на директен контакт.

       При регенераторите  (regenerators or storage type)  едно и също флуидно пространство се заема  последователно от единия от двата флуида. Топлинната енергия се акумулира от горещия флуид, когато той преминава през пространството, след което съхранената енергия се отдава на студения топлоносител, когато той премине през регенератора. Следователно, топлината не се пренася през топлопроводната стена между двата флуида. 

Регенераторите се делят на:

 а) въртящи се (ротационни) и

 б) фиксирани (стационарни).

 Ротационните могат да се подразделят на: дискови и барабанни. При дисковите регенератори топлообменната площ  е във формата на диск и топлоносителите преминават осово. При барабанен тип, топлообменният апарат е във вид на кух барабан и потоците преминават радиално. Съществуват два вида регенератори за подгряване на въздух в класическите електроцентрали:

а) въртящи се пластинчати, 

б) стационарни, пластинчати,

Преносни процеси.

   Според преносните процеси топлообменните апарати се класифицират на:

   а) тип директен – контакт и

   б) тип индиректен – контакт.

   При топлообменните апарати с директен контакт, топлината се предава между студения и горещия флуид посредством директен контакт между тях. Няма стена между тях и топлопредаването се извършва на границата между двата потока. Потоците могат да бъдат два несместващи  се потока: двойка газ – течност, или комбинация от твърди частици  - флуид.

   При топлообменните апарати с индиректен контакт, топлиннияt поток се пренася от горещия към студения топлоносител през стена, отделяща флуида. Двата потока се движат едновременно докато се пренесе топлинната енергия.

   Топлообменните апарати с директен или индиректен контакт се наричат рекуператори (recuperates). Тръбните, пластинковите и тези с развити повърхности  топлообменни апарати, както и охладителни кули и тарелкови кондензатори са типични примери за рекуператори.

Геометрия на конструкцията.

       Основни видове топлообменни апарати в зависимост от конструкцията са: тръбни, пластинкови и с развити повърхности.

Тръбни топлообменни апарати

       При тръбните топлообменни апарати топлообменната площ се изгражда от тръби. Единият флуид се движи в тръбите, а другият  - в междутръбното пространство. Тръбният диаметър , броят на тръбите , дължината на тръбите , стъпката между тръбите и тръбното разположение могат да се изменят. Тръбните топлообменни апарати се подразделят на:

1)Топлообменни апарати тип - тръба в тръба;

2)Кожухотръбни топлообменни апарати.

3)Топлообменни апарати със спирални тръби.

Типичният топлообменен апарат „тръба в тръба”  се състои от тръба, концентрично разположена в друга, с по-голям диаметър. Могат да се разполагат в различни серии, последователно или в паралел, така че да се изпълнят изискванията за пад на налягане и средна температурна разлика. Основното им приложение е при динамично нагряване и охлаждане на флуиди, където са необходими малки топлообменни площи. Тази конфигурация е много подходяща, когато единият или двата флуида работят при високо налягане. Основният им недостатък е, че са обемни и по-скъпи. Топлообменната площ може да се състои от една тръба (вътрешна) или много последователни тръби. Ако външният коефициент на топлопредаване, на вътрешната тръба е нисък, може да се използва вътрешна оребрена тръба.

Кожухотръбните топлообменни апарати (КТТА) се изграждат от сноп цилиндрични тръби, който се монтира в кожух с по-голям диаметър, като се спазва условие за успоредност на осите. Тези апарати се използват широко като: охладители на масло, кондензатори и водоподгреватели в ТЕЦ, парогенератори в АЕЦ, в хранително-вкусовата и химична промишленост.

Главна цел при конструирането на тези апарати е да се осигури възможност за термично разширяване, лесно почистване, или най-евтина конструкция, ако другите изисквания не са от значение. 

  Броят и разположението на ходовете за горещия и студен топлоносител се определя в зависимост от топлинната мощност (топлинен поток) на апарата, пада на налягане, налягане на топлоносителите в тръбите и междутръбното пространство, замърсявания, технология за производство, разходи, корозия и проблеми с почистването. Преградите се използват за да се повиши коефициента на топлопредаване, както и за поддържане на тръбния сноп.

Топлообменните апарати с тръбни спирали представляват тръбна спирала, която е поставена в кожух и се конструират като коаксиален кондензатор или изпарител. Коефициентът на топлопреминаване е по-висок в сравнение с този при правата тръба. Подходящи са за чисти флуиди, тъй като почистването е почти невъзможно.

Пластинчати топлообменни апарати

       Пластинчатите топлообменни апарати (ПТА) се изграждат от тънки пластини, които оформят канали за движение на два флуида. Топлоносителите са разделени от пластини, които са гладки или с нагънати (гофрирани) ребра. Използват се за пренос на топлина при различни комбинации на газ, течност или двуфазни потоци. Могат да се класифицират на:

1)ПТА с плътно (уплътнени) разположени пластини;

1. ПТА със спирални пластини;
2. Ламелни ПТА.

ПТА с плътно (уплътнени) разположени пластини се състоят от спирали от тънки гофрирани (рифеловани) пластини или вълнообразна повърхност, което отделя топлоносителите. Пластините се изработват с ъглови части по начин, че двата топлоносителя да преминават през редуващи се пространства между пластините. Подходящ дизайн и уплътняване позволява пакет от пластини да бъде стегнат с болтове в крайните пластини. Уплътняването на пластините не позволява течове навън и насочва потоците между пластините в желаното направление. Движението на топлоносителите, обикновено е противотоково.

 Топлообменни апарати с развити повърхности

Топлообменните апарати с развити повърхности (ТАРП) са апарати с ребра върху първоначалната топлообменна повърхност (тръба или пластина), с цел да се увеличи топлообменната площ . Оребрените повърхности се използват от страна на топлоносителя с нисък коефициент на топлопредаване. Ребра са широко използвани при ТА  газ-газ или течност-газ, когато коефициентът на топлопредаване от едната страна или от двете страни е нисък, а е необходимо да се направи компактен ТА. Най разпространени ТАРП са оребрени пластинчати ТА и оребрени тръбни ТА.

Оребрени пластинчати ТА се използват при топлоносители газ-газ. В много приложения е важно да се намали обема  и теглото на ТА, поради което е необходимо да се конструират компактни ТА, които намират приложение в много области, като: криогенната техника, енергетиката, хладилната техника, системите за климатизация и др.

 Механизъм за пренос на топлина.

   Топлообменните апарати могат да се класифицират също и според механизма на пренос на топлина, а именно:

1.Еднофазна  конвекция от двете страни

2.Еднофазна конвенция от едната страна и дву-фазна конвекция от другата.

3.Двуфазна конвекция от двете страни.

В ТА като економайзери и въздухоподгреватели в котлите, междинни охладители на компресори, автомобилни радиатори, маслоохладители, космически нагреватели и др., е налице еднофазна конвекция от двете страни. Кондензатори, бойлери, парогенератори, използвани във водни реактори и електроцентрали, изпарители и кондензатори, използвани в климатиците и космическите апарати включват кондензация, кипене и радиация (излъчване) от едната страна на ТА. Двуфазна конвекция може да се срещне когато от едната страна имаме кондензация, а от другата страна на топлообменната повърхност - кипене. Двуфазна конвекция може да съществува и без наличие на фазова промяна – когато имаме кипящ слой от газ и твърди частици принасят топлината към или от топлообменната повърхност.

 Разположение на потоците

Топлообменните апарати могат да се класифицират и според посоката на флуидните потоци. Три са основните конфигурации:

1. Правоток (паралелно движение).

2. Противоток (противоположно движение).

3. Кръстосан ток

При правоток двата флуида влизат едновременно в единия край, движат се успоредно в едно и също направление и напускат заедно в другия край. При противоток, двата флуида се движат в противоположни посоки. При кръстосан ток, единият топлоносител се движи перпендикулярно на движението на другия топлоносител.