Введение
Оборудование, используемое для передачи тепла между жидкостями
Теплообменник – это система, предназначенная для передачи тепла от источника к рабочей жидкости. Теплообменники применяются как в процессах охлаждения, так и в процессах нагрева. Жидкости могут быть разделены твердой стенкой для предотвращения смешивания или находиться в непосредственном контакте. Они широко используются в системах отопления, холодильной технике, кондиционировании воздуха, на электростанциях, химических заводах, нефтехимических предприятиях, нефтеперерабатывающих заводах, при переработке природного газа и очистке сточных вод. Классическим примером теплообменника является система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, в которой циркулирующая жидкость, известная как охлаждающая жидкость двигателя, протекает через змеевики радиатора, а воздух обдувает эти змеевики, охлаждая жидкость и нагревая поступающий воздух. Другой пример – радиатор (теплоотвод), представляющий собой пассивный теплообменник, отводящий тепло, выделяемое электронным или механическим устройством, в теплоноситель, обычно воздух или жидкий охладитель.
Распределение потоков
Существует три основных классификации теплообменников в соответствии с организацией потоков. В теплообменниках с прямоточным потоком обе жидкости входят в теплообменник с одного конца и движутся параллельно друг другу к противоположному концу. В теплообменниках с противоточным потоком жидкости входят в теплообменник с противоположных концов. Противоточная схема является наиболее эффективной, поскольку она позволяет передавать наибольшее количество тепла от теплоносителя на единицу массы благодаря более высокой средней разнице температур на единицу длины. См. противоточное теплообменное устройство. В теплообменнике с перекрестным потоком жидкости движутся примерно перпендикулярно друг другу внутри теплообменника. Для повышения эффективности теплообменники проектируются таким образом, чтобы максимизировать площадь поверхности стенок между двумя жидкостями, одновременно минимизируя гидравлическое сопротивление потоку жидкости. На производительность теплообменника также может влиять добавление ребер или гофрирования с одной или обеих сторон, что увеличивает площадь поверхности и может направлять поток жидкости или вызывать турбулентность. Температура движущей силы на поверхности теплопередачи изменяется в зависимости от положения, но можно определить соответствующую среднюю температуру. В большинстве простых систем это "логарифмическая средняя разность температур" (LMTD). Иногда непосредственные данные о LMTD недоступны, и используется метод NTU.
Типы
Двухтрубные теплообменники являются самыми простыми теплообменниками, используемыми в промышленности. С одной стороны, они недороги как в изготовлении, так и в обслуживании, что делает их хорошим выбором для небольших предприятий. С другой стороны, их низкая эффективность в сочетании с большими габаритами при больших масштабах привела к тому, что современные предприятия стали использовать более эффективные теплообменники, такие как кожухотрубные или пластинчатые. Однако, благодаря своей простоте, двухтрубные теплообменники используются для обучения студентов основам проектирования теплообменников, поскольку базовые принципы для всех типов теплообменников одинаковы. 1. Двухтрубный теплообменник
When one fluid flows through the smaller pipe, the other flows through the annular gap between the two pipes. These flows may be parallel or counter flows in a double pipe heat exchanger. (a) Parallel flow, where both hot and cold liquids enter the heat exchanger from the same side, flow in the same direction and exit at the same end. This configuration is preferable when the two fluids are intended to reach exactly the same temperature, as it reduces thermal stress and produces a more uniform rate of heat transfer. (b) Counter flow, where hot and cold fluids enter opposite sides of the heat exchanger, flow in opposite directions, and exit at opposite ends. This configuration is preferable when the objective is to maximize heat transfer between the fluids, as it creates a larger temperature differential when used under otherwise similar conditions. The figure above illustrates the parallel and counter flow flow directions of the fluid exchanger. 2. Shell and tube heat exchanger
In a shell and tube heat exchanger, two fluids at different temperatures flow through the heat exchanger. One of the fluids flows through the tube side and the other fluid flows outside the tubes, but inside the shell (shell side). Baffles are used to support the tubes, direct the fluid flow to the tubes in an approximately natural manner, and maximize the turbulence of the shell fluid. There are many various kinds of baffles, and the choice of baffle form, spacing, and geometry depends on the allowable flow rate of the drop in shell side force, the need for tube support, and the flow induced vibrations. There are several variations of shell and tube exchangers available; the differences lie in the arrangement of flow configurations and details of construction. In application to cool air with shell and tube technology (such as intercooler / charge air cooler for combustion engines), fins can be added on the tubes to increase heat transfer area on air side and create a tubes & fins configuration. 3. Plate Heat Exchanger
A plate heat exchanger contains an amount of thin shaped heat transfer plates bundled together. The gasket arrangement of each pair of plates provides two separate channel system. Each pair of plates form a channel where the fluid can flow through. The pairs are attached by welding and bolting methods. The following shows the components in the heat exchanger. In single channels the configuration of the gaskets enables flow through. Thus, this allows the main and secondary media in counter current flow. A gasket plate heat exchanger has a heat region from corrugated plates. The gasket function as seal between plates and they are located between frame and pressure plates. Fluid flows in a counter current direction throughout the heat exchanger. An efficient thermal performance is produced. Plates are produced in different depths, sizes and corrugated shapes. There are different types of plates available including plate and frame, plate and shell and spiral plate heat exchangers. The distribution area guarantees the flow of fluid to the whole heat transfer surface. This helps to prevent stagnant area that can cause accumulation of unwanted material on solid surfaces. High flow turbulence between plates results in a greater transfer of heat and a decrease in pressure. 4. Condensers and Boilers
Heat exchangers using a two phase heat transfer system are condensers, boilers and evaporators. Condensers are instruments that take and cool hot gas or vapor to the point of condensation and transform the gas into a liquid form. The point at which liquid transforms to gas is called vaporization and vice versa is called condensation. Surface condenser is the most common type of condenser where it includes a water supply device. Figure 5 below displays a two pass surface condenser. The pressure of steam at the turbine outlet is low where the steam density is very low where the flow rate is very high. To prevent a decrease in pressure in the movement of steam from the turbine to condenser, the condenser unit is placed underneath and connected to the turbine. Inside the tubes the cooling water runs in a parallel way, while steam moves in a vertical downward position from the wide opening at the top and travel through the tube. Furthermore, boilers are categorized as initial application of heat exchangers. The word steam generator was regularly used to describe a boiler unit where a hot liquid stream is the source of heat rather than the combustion products. Depending on the dimensions and configurations the boilers are manufactured. Several boilers are only able to produce hot fluid while on the other hand the others are manufactured for steam production.
Когда одна жидкость течет по меньшей трубе, другая течет через кольцевой зазор между двумя трубами. В двухтрубном теплообменнике возможны параллельный и противоточный потоки. (a) Параллельный поток, при котором горячая и холодная жидкости входят в теплообменник с одной и той же стороны, текут в одном направлении и выходят с одного и того же конца. Эта конфигурация предпочтительна, когда необходимо, чтобы обе жидкости достигли одинаковой температуры, поскольку она снижает термические напряжения и обеспечивает более равномерную скорость теплопередачи. (b) Противоток, при котором горячая и холодная жидкости входят в теплообменник с противоположных сторон, текут в противоположных направлениях и выходят с противоположных концов. Эта конфигурация предпочтительна, когда необходимо максимизировать теплопередачу между жидкостями, поскольку она создает больший температурный градиент при прочих равных условиях. На рисунке выше показаны схемы параллельного и противоточного потоков жидкости в теплообменнике. 2. Кожухотрубный теплообменник
When one fluid flows through the smaller pipe, the other flows through the annular gap between the two pipes. These flows may be parallel or counter flows in a double pipe heat exchanger. (a) Parallel flow, where both hot and cold liquids enter the heat exchanger from the same side, flow in the same direction and exit at the same end. This configuration is preferable when the two fluids are intended to reach exactly the same temperature, as it reduces thermal stress and produces a more uniform rate of heat transfer. (b) Counter flow, where hot and cold fluids enter opposite sides of the heat exchanger, flow in opposite directions, and exit at opposite ends. This configuration is preferable when the objective is to maximize heat transfer between the fluids, as it creates a larger temperature differential when used under otherwise similar conditions. The figure above illustrates the parallel and counter flow flow directions of the fluid exchanger. 2. Shell and tube heat exchanger
In a shell and tube heat exchanger, two fluids at different temperatures flow through the heat exchanger. One of the fluids flows through the tube side and the other fluid flows outside the tubes, but inside the shell (shell side). Baffles are used to support the tubes, direct the fluid flow to the tubes in an approximately natural manner, and maximize the turbulence of the shell fluid. There are many various kinds of baffles, and the choice of baffle form, spacing, and geometry depends on the allowable flow rate of the drop in shell side force, the need for tube support, and the flow induced vibrations. There are several variations of shell and tube exchangers available; the differences lie in the arrangement of flow configurations and details of construction. In application to cool air with shell and tube technology (such as intercooler / charge air cooler for combustion engines), fins can be added on the tubes to increase heat transfer area on air side and create a tubes & fins configuration. 3. Plate Heat Exchanger
A plate heat exchanger contains an amount of thin shaped heat transfer plates bundled together. The gasket arrangement of each pair of plates provides two separate channel system. Each pair of plates form a channel where the fluid can flow through. The pairs are attached by welding and bolting methods. The following shows the components in the heat exchanger. In single channels the configuration of the gaskets enables flow through. Thus, this allows the main and secondary media in counter current flow. A gasket plate heat exchanger has a heat region from corrugated plates. The gasket function as seal between plates and they are located between frame and pressure plates. Fluid flows in a counter current direction throughout the heat exchanger. An efficient thermal performance is produced. Plates are produced in different depths, sizes and corrugated shapes. There are different types of plates available including plate and frame, plate and shell and spiral plate heat exchangers. The distribution area guarantees the flow of fluid to the whole heat transfer surface. This helps to prevent stagnant area that can cause accumulation of unwanted material on solid surfaces. High flow turbulence between plates results in a greater transfer of heat and a decrease in pressure. 4. Condensers and Boilers
Heat exchangers using a two phase heat transfer system are condensers, boilers and evaporators. Condensers are instruments that take and cool hot gas or vapor to the point of condensation and transform the gas into a liquid form. The point at which liquid transforms to gas is called vaporization and vice versa is called condensation. Surface condenser is the most common type of condenser where it includes a water supply device. Figure 5 below displays a two pass surface condenser. The pressure of steam at the turbine outlet is low where the steam density is very low where the flow rate is very high. To prevent a decrease in pressure in the movement of steam from the turbine to condenser, the condenser unit is placed underneath and connected to the turbine. Inside the tubes the cooling water runs in a parallel way, while steam moves in a vertical downward position from the wide opening at the top and travel through the tube. Furthermore, boilers are categorized as initial application of heat exchangers. The word steam generator was regularly used to describe a boiler unit where a hot liquid stream is the source of heat rather than the combustion products. Depending on the dimensions and configurations the boilers are manufactured. Several boilers are only able to produce hot fluid while on the other hand the others are manufactured for steam production.
В кожухотрубном теплообменнике две жидкости с разной температурой протекают через устройство. Одна жидкость течет по трубному пространству, а другая – снаружи труб, внутри корпуса (со стороны корпуса). Перегородки используются для поддержки труб, направления потока жидкости к трубам естественным образом и максимизации турбулентности жидкости со стороны корпуса. Существует множество различных типов перегородок, и выбор формы, расстояния между ними и геометрии зависит от допустимой потери давления со стороны корпуса, необходимости поддержки труб и возникающих колебаний потока. Существует несколько вариантов кожухотрубных теплообменников; различия заключаются в схеме движения потоков и деталях конструкции. При применении для охлаждения воздуха с использованием кожухотрубной технологии (например, интеркулер/охладитель наддувочного воздуха для двигателей внутреннего сгорания) на трубы могут быть установлены оребрения для увеличения площади теплопередачи со стороны воздуха и создания конфигурации «трубы и оребрение». 3. Пластинчатый теплообменник
When one fluid flows through the smaller pipe, the other flows through the annular gap between the two pipes. These flows may be parallel or counter flows in a double pipe heat exchanger. (a) Parallel flow, where both hot and cold liquids enter the heat exchanger from the same side, flow in the same direction and exit at the same end. This configuration is preferable when the two fluids are intended to reach exactly the same temperature, as it reduces thermal stress and produces a more uniform rate of heat transfer. (b) Counter flow, where hot and cold fluids enter opposite sides of the heat exchanger, flow in opposite directions, and exit at opposite ends. This configuration is preferable when the objective is to maximize heat transfer between the fluids, as it creates a larger temperature differential when used under otherwise similar conditions. The figure above illustrates the parallel and counter flow flow directions of the fluid exchanger. 2. Shell and tube heat exchanger
In a shell and tube heat exchanger, two fluids at different temperatures flow through the heat exchanger. One of the fluids flows through the tube side and the other fluid flows outside the tubes, but inside the shell (shell side). Baffles are used to support the tubes, direct the fluid flow to the tubes in an approximately natural manner, and maximize the turbulence of the shell fluid. There are many various kinds of baffles, and the choice of baffle form, spacing, and geometry depends on the allowable flow rate of the drop in shell side force, the need for tube support, and the flow induced vibrations. There are several variations of shell and tube exchangers available; the differences lie in the arrangement of flow configurations and details of construction. In application to cool air with shell and tube technology (such as intercooler / charge air cooler for combustion engines), fins can be added on the tubes to increase heat transfer area on air side and create a tubes & fins configuration. 3. Plate Heat Exchanger
A plate heat exchanger contains an amount of thin shaped heat transfer plates bundled together. The gasket arrangement of each pair of plates provides two separate channel system. Each pair of plates form a channel where the fluid can flow through. The pairs are attached by welding and bolting methods. The following shows the components in the heat exchanger. In single channels the configuration of the gaskets enables flow through. Thus, this allows the main and secondary media in counter current flow. A gasket plate heat exchanger has a heat region from corrugated plates. The gasket function as seal between plates and they are located between frame and pressure plates. Fluid flows in a counter current direction throughout the heat exchanger. An efficient thermal performance is produced. Plates are produced in different depths, sizes and corrugated shapes. There are different types of plates available including plate and frame, plate and shell and spiral plate heat exchangers. The distribution area guarantees the flow of fluid to the whole heat transfer surface. This helps to prevent stagnant area that can cause accumulation of unwanted material on solid surfaces. High flow turbulence between plates results in a greater transfer of heat and a decrease in pressure. 4. Condensers and Boilers
Heat exchangers using a two phase heat transfer system are condensers, boilers and evaporators. Condensers are instruments that take and cool hot gas or vapor to the point of condensation and transform the gas into a liquid form. The point at which liquid transforms to gas is called vaporization and vice versa is called condensation. Surface condenser is the most common type of condenser where it includes a water supply device. Figure 5 below displays a two pass surface condenser. The pressure of steam at the turbine outlet is low where the steam density is very low where the flow rate is very high. To prevent a decrease in pressure in the movement of steam from the turbine to condenser, the condenser unit is placed underneath and connected to the turbine. Inside the tubes the cooling water runs in a parallel way, while steam moves in a vertical downward position from the wide opening at the top and travel through the tube. Furthermore, boilers are categorized as initial application of heat exchangers. The word steam generator was regularly used to describe a boiler unit where a hot liquid stream is the source of heat rather than the combustion products. Depending on the dimensions and configurations the boilers are manufactured. Several boilers are only able to produce hot fluid while on the other hand the others are manufactured for steam production.
Пластинчатый теплообменник состоит из определенного количества тонких теплопередающих пластин, собранных вместе. Уплотнительная конструкция каждой пары пластин обеспечивает две отдельные канальные системы. Каждая пара пластин образует канал, по которому может течь жидкость. Пары соединяются с помощью сварки и болтов. На рисунке ниже показаны компоненты теплообменника. В отдельных каналах конфигурация уплотнений обеспечивает прохождение потока. Таким образом, это позволяет основным и вторичным средам течь в противоточном направлении. Пластинчатый теплообменник имеет теплообменную зону, состоящую из гофрированных пластин. Уплотнения служат для герметизации между пластинами и расположены между рамой и прижимными пластинами. Жидкость течет в противоточном направлении по всему теплообменнику, что обеспечивает высокую тепловую эффективность. Пластины изготавливаются различной глубины, размера и с различной формой гофрировки. Существуют различные типы пластин, включая пластинчато-рамные, пластинчато-корпусные и спиральные пластинчатые теплообменники. Распределительная зона обеспечивает равномерное распределение потока жидкости по всей поверхности теплопередачи. Это помогает предотвратить образование застойных зон, в которых может накапливаться нежелательный материал на твердых поверхностях. Высокая турбулентность потока между пластинами приводит к увеличению теплопередачи и снижению потерь давления. 4. Конденсаторы и кипятильники
When one fluid flows through the smaller pipe, the other flows through the annular gap between the two pipes. These flows may be parallel or counter flows in a double pipe heat exchanger. (a) Parallel flow, where both hot and cold liquids enter the heat exchanger from the same side, flow in the same direction and exit at the same end. This configuration is preferable when the two fluids are intended to reach exactly the same temperature, as it reduces thermal stress and produces a more uniform rate of heat transfer. (b) Counter flow, where hot and cold fluids enter opposite sides of the heat exchanger, flow in opposite directions, and exit at opposite ends. This configuration is preferable when the objective is to maximize heat transfer between the fluids, as it creates a larger temperature differential when used under otherwise similar conditions. The figure above illustrates the parallel and counter flow flow directions of the fluid exchanger. 2. Shell and tube heat exchanger
In a shell and tube heat exchanger, two fluids at different temperatures flow through the heat exchanger. One of the fluids flows through the tube side and the other fluid flows outside the tubes, but inside the shell (shell side). Baffles are used to support the tubes, direct the fluid flow to the tubes in an approximately natural manner, and maximize the turbulence of the shell fluid. There are many various kinds of baffles, and the choice of baffle form, spacing, and geometry depends on the allowable flow rate of the drop in shell side force, the need for tube support, and the flow induced vibrations. There are several variations of shell and tube exchangers available; the differences lie in the arrangement of flow configurations and details of construction. In application to cool air with shell and tube technology (such as intercooler / charge air cooler for combustion engines), fins can be added on the tubes to increase heat transfer area on air side and create a tubes & fins configuration. 3. Plate Heat Exchanger
A plate heat exchanger contains an amount of thin shaped heat transfer plates bundled together. The gasket arrangement of each pair of plates provides two separate channel system. Each pair of plates form a channel where the fluid can flow through. The pairs are attached by welding and bolting methods. The following shows the components in the heat exchanger. In single channels the configuration of the gaskets enables flow through. Thus, this allows the main and secondary media in counter current flow. A gasket plate heat exchanger has a heat region from corrugated plates. The gasket function as seal between plates and they are located between frame and pressure plates. Fluid flows in a counter current direction throughout the heat exchanger. An efficient thermal performance is produced. Plates are produced in different depths, sizes and corrugated shapes. There are different types of plates available including plate and frame, plate and shell and spiral plate heat exchangers. The distribution area guarantees the flow of fluid to the whole heat transfer surface. This helps to prevent stagnant area that can cause accumulation of unwanted material on solid surfaces. High flow turbulence between plates results in a greater transfer of heat and a decrease in pressure. 4. Condensers and Boilers
Heat exchangers using a two phase heat transfer system are condensers, boilers and evaporators. Condensers are instruments that take and cool hot gas or vapor to the point of condensation and transform the gas into a liquid form. The point at which liquid transforms to gas is called vaporization and vice versa is called condensation. Surface condenser is the most common type of condenser where it includes a water supply device. Figure 5 below displays a two pass surface condenser. The pressure of steam at the turbine outlet is low where the steam density is very low where the flow rate is very high. To prevent a decrease in pressure in the movement of steam from the turbine to condenser, the condenser unit is placed underneath and connected to the turbine. Inside the tubes the cooling water runs in a parallel way, while steam moves in a vertical downward position from the wide opening at the top and travel through the tube. Furthermore, boilers are categorized as initial application of heat exchangers. The word steam generator was regularly used to describe a boiler unit where a hot liquid stream is the source of heat rather than the combustion products. Depending on the dimensions and configurations the boilers are manufactured. Several boilers are only able to produce hot fluid while on the other hand the others are manufactured for steam production.
Теплообменники, использующие двухфазную систему теплопередачи, включают конденсаторы, кипятильники и испарители. Конденсаторы – это устройства, которые принимают горячий газ или пар и охлаждают его до точки конденсации, превращая газ в жидкость. Точка, в которой жидкость превращается в газ, называется испарением, а обратный процесс – конденсацией. Поверхностный конденсатор является наиболее распространенным типом конденсатора, который включает в себя устройство подачи воды. На рисунке 5 ниже показан двухпроходной поверхностный конденсатор. Давление пара на выходе турбины низкое, плотность пара очень низкая, а скорость потока очень высокая. Чтобы предотвратить падение давления при движении пара от турбины к конденсатору, конденсатор устанавливается под турбиной и соединяется с ней. Внутри труб охлаждающая вода течет параллельно, а пар движется вертикально вниз из широкого отверстия в верхней части и проходит через трубы. Кроме того, кипятильники можно рассматривать как первоначальное применение теплообменников. Термин «парогенератор» обычно использовался для обозначения кипятильника, в котором в качестве источника тепла выступает горячая жидкость, а не продукты сгорания. Кипятильники изготавливаются в зависимости от размеров и конфигурации. Некоторые кипятильники способны производить только горячую жидкость, а другие – пар.
When one fluid flows through the smaller pipe, the other flows through the annular gap between the two pipes. These flows may be parallel or counter flows in a double pipe heat exchanger. (a) Parallel flow, where both hot and cold liquids enter the heat exchanger from the same side, flow in the same direction and exit at the same end. This configuration is preferable when the two fluids are intended to reach exactly the same temperature, as it reduces thermal stress and produces a more uniform rate of heat transfer. (b) Counter flow, where hot and cold fluids enter opposite sides of the heat exchanger, flow in opposite directions, and exit at opposite ends. This configuration is preferable when the objective is to maximize heat transfer between the fluids, as it creates a larger temperature differential when used under otherwise similar conditions. The figure above illustrates the parallel and counter flow flow directions of the fluid exchanger. 2. Shell and tube heat exchanger
In a shell and tube heat exchanger, two fluids at different temperatures flow through the heat exchanger. One of the fluids flows through the tube side and the other fluid flows outside the tubes, but inside the shell (shell side). Baffles are used to support the tubes, direct the fluid flow to the tubes in an approximately natural manner, and maximize the turbulence of the shell fluid. There are many various kinds of baffles, and the choice of baffle form, spacing, and geometry depends on the allowable flow rate of the drop in shell side force, the need for tube support, and the flow induced vibrations. There are several variations of shell and tube exchangers available; the differences lie in the arrangement of flow configurations and details of construction. In application to cool air with shell and tube technology (such as intercooler / charge air cooler for combustion engines), fins can be added on the tubes to increase heat transfer area on air side and create a tubes & fins configuration. 3. Plate Heat Exchanger
A plate heat exchanger contains an amount of thin shaped heat transfer plates bundled together. The gasket arrangement of each pair of plates provides two separate channel system. Each pair of plates form a channel where the fluid can flow through. The pairs are attached by welding and bolting methods. The following shows the components in the heat exchanger. In single channels the configuration of the gaskets enables flow through. Thus, this allows the main and secondary media in counter current flow. A gasket plate heat exchanger has a heat region from corrugated plates. The gasket function as seal between plates and they are located between frame and pressure plates. Fluid flows in a counter current direction throughout the heat exchanger. An efficient thermal performance is produced. Plates are produced in different depths, sizes and corrugated shapes. There are different types of plates available including plate and frame, plate and shell and spiral plate heat exchangers. The distribution area guarantees the flow of fluid to the whole heat transfer surface. This helps to prevent stagnant area that can cause accumulation of unwanted material on solid surfaces. High flow turbulence between plates results in a greater transfer of heat and a decrease in pressure. 4. Condensers and Boilers
Heat exchangers using a two phase heat transfer system are condensers, boilers and evaporators. Condensers are instruments that take and cool hot gas or vapor to the point of condensation and transform the gas into a liquid form. The point at which liquid transforms to gas is called vaporization and vice versa is called condensation. Surface condenser is the most common type of condenser where it includes a water supply device. Figure 5 below displays a two pass surface condenser. The pressure of steam at the turbine outlet is low where the steam density is very low where the flow rate is very high. To prevent a decrease in pressure in the movement of steam from the turbine to condenser, the condenser unit is placed underneath and connected to the turbine. Inside the tubes the cooling water runs in a parallel way, while steam moves in a vertical downward position from the wide opening at the top and travel through the tube. Furthermore, boilers are categorized as initial application of heat exchangers. The word steam generator was regularly used to describe a boiler unit where a hot liquid stream is the source of heat rather than the combustion products. Depending on the dimensions and configurations the boilers are manufactured. Several boilers are only able to produce hot fluid while on the other hand the others are manufactured for steam production.
Плитка
Другой тип теплообменника – пластинчатый теплообменник. Эти теплообменники состоят из множества тонких, слегка разнесенных пластин, обладающих очень большой поверхностью и узкими каналами для прохождения жидкости и передачи тепла. Достижения в технологиях изготовления прокладок и пайки сделали пластинчатые теплообменники все более востребованными. В системах ОВКК большие теплообменники этого типа называют пластинчато-рамными; при использовании в открытых системах эти теплообменники обычно оснащаются прокладками, что позволяет периодически разбирать их для очистки и осмотра. Существует множество типов пластинчатых теплообменников с постоянным соединением, таких как теплообменники, сваренные методом погружения, вакуумной пайки и сварные пластинчатые конструкции, которые часто используются в замкнутых системах, например, в холодильной технике. Пластинчатые теплообменники также различаются по типам используемых пластин и их конфигурации. Некоторые пластины могут иметь штампованный рисунок в виде «шеврона», ямочек или других узоров, в то время как другие могут быть оснащены фрезерованными ребрами и/или канавками. По сравнению с кожухотрубными теплообменниками, конструкция из сложенных пластин обычно имеет меньший объем и стоимость. Еще одно отличие заключается в том, что пластинчатые теплообменники обычно используются для жидкостей с низким и средним давлением, в то время как кожухотрубные теплообменники – для средних и высоких давлений. Третье, важное отличие состоит в том, что в пластинчатых теплообменниках преобладает противоточное движение потока, а не перекрестное, что позволяет добиться меньшей разницы температур, больших изменений температуры и повышения эффективности.
Плита и оболочка
Третий тип теплообменника – пластинчато-оболочечный теплообменник, сочетающий в себе технологии пластинчатых и кожухотрубных теплообменников. Сердцем теплообменника является полностью сварный круглый пакет пластин, изготовленный путем штамповки, резки круглых пластин и их сварки. Патрубки обеспечивают подачу и отвод потока через пакет пластин (поток по «пластинчатой стороне»). Полностью сварной пакет пластин собирается во внешнюю оболочку, которая создает второй канал для потока (поток по «оболочечной стороне»). Пластинчато-оболочечная технология обеспечивает высокую теплопередачу, работу при высоком давлении и температуре, компактные размеры, низкое загрязнение и малую разницу температур. Особенно важно, что в ней полностью отсутствуют прокладки, что гарантирует герметичность при высоких давлениях и температурах.
Колесо адьябатическое
Четвертый тип теплообменника использует промежуточный теплоноситель или твердотельный накопитель для хранения тепла, которое затем передается на другую сторону теплообменника для его отдачи. Два примера такого типа – адиабатические роторы, представляющие собой большое колесо с мелкими каналами, вращающееся в потоках горячего и холодного воздуха, и жидкостные теплообменники.
Воздушные катушки для кондиционирования и охлаждения
Одно из самых широких применений теплообменников – охлаждение и кондиционирование воздуха. Этот класс теплообменников обычно называют воздушными теплообменниками или просто теплообменниками из-за их часто серпантинной внутренней трубки, или конденсаторами в случае холодильных установок. Как правило, это теплообменники трубчато-ребристого типа. Теплообменники воздух-жидкость или жидкость-воздух в системах отопления, вентиляции и кондиционирования (ОВК) обычно имеют модифицированную схему встречного потока. В транспортных средствах теплообменники часто называют отопителями. На стороне жидкости в этих теплообменниках обычно используются вода, раствор воды с гликолем, пар или хладагент. Для нагревательных теплообменников наиболее распространены горячая вода и пар, которые подаются, например, от котлов. Для охлаждающих теплообменников наиболее распространены охлажденная вода и хладагент. Охлажденная вода поступает от чиллера, который может находиться на значительном расстоянии, а хладагент – от расположенного поблизости конденсаторного блока. При использовании хладагента охлаждающий теплообменник является испарителем, а нагревательный – конденсатором в цикле парокомпрессионного охлаждения. Теплообменники ОВК, использующие прямое расширение хладагента, обычно называются DX-теплообменниками. Некоторые DX-теплообменники имеют "микроканальную" конструкцию. На воздушной стороне теплообменников ОВК существует существенная разница между теплообменниками для нагрева и для охлаждения. В силу психометрии, при охлаждении воздуха часто происходит конденсация влаги, за исключением случаев, когда воздушный поток чрезвычайно сухой. Нагрев воздуха увеличивает его способность удерживать влагу. Таким образом, при проектировании нагревательных теплообменников не требуется учитывать конденсацию влаги на воздушной стороне, в то время как охлаждающие теплообменники должны быть спроектированы и подобраны с учетом как скрытой (влажности), так и явной (охлаждения) тепловой нагрузки. Образовавшаяся вода называется конденсатом. Во многих климатических условиях водяные или паровые теплообменники ОВК могут подвергаться воздействию мороза. Поскольку вода расширяется при замерзании, эти относительно дорогие и сложные в замене теплообменники с тонкими стенками могут быть легко повреждены или разрушены даже однократным замерзанием. Поэтому защита теплообменников от замерзания является важной задачей для проектировщиков, монтажников и операторов систем ОВК. Введение углублений в ребра теплообмена контролирует конденсацию, позволяя молекулам воды оставаться в охлажденном воздухе. Теплообменники в печах прямого сгорания, распространенных во многих жилых домах, не являются "теплообменниками-катушками". Это газовоздушные теплообменники, обычно изготовленные из штампованной листовой стали. Продукты сгорания проходят по одной стороне этих теплообменников, а воздух для нагрева – по другой. Трещина в теплообменнике – это опасная ситуация, требующая немедленного вмешательства, поскольку продукты сгорания могут попасть в жилое помещение.
Спираль
Модификация перпендикулярного потока в типичном HCHE заключается в замене кожуха на другую спиральную трубу, что позволяет двум жидкостям течь параллельно друг другу и требует применения иных расчётных методов. Это спиральные теплообменники (SHE), которые могут подразумевать конструкцию из спиральной (изогнутой) трубы, однако в более широком смысле термин относится к паре плоских поверхностей, свернутых в спираль для формирования двух каналов с противоточным движением. Каждый из каналов имеет один длинный изогнутый путь. Пара жидкостных патрубков подсоединяется касательно к внешним концам спирали, а осевые патрубки являются распространенным, но необязательным элементом. Главное преимущество SHE – это его крайне эффективное использование пространства. Эта особенность часто используется и частично перераспределяется для достижения других улучшений в характеристиках, в соответствии с известными компромиссами при проектировании теплообменников. (Важным компромиссом является соотношение между капитальными затратами и эксплуатационными расходами.) Компактный SHE может быть использован для уменьшения занимаемой площади и, следовательно, снижения общих капитальных затрат, или SHE увеличенного размера может быть использован для снижения перепада давления, уменьшения энергопотребления насоса, повышения тепловой эффективности и снижения затрат на энергию.
Строительство
Расстояние между листами в спиральных каналах обеспечивается за счет установочных штифтов, приваренных до прокатки. После прокатки основного спирального пакета чередующиеся верхние и нижние кромки свариваются, а каждый конец закрывается плоской или конической крышкой с прокладкой, прикрепленной к корпусу. Это предотвращает смешивание двух жидкостей. Любая утечка происходит из периферийной крышки в атмосферу или в канал, содержащий ту же жидкость.
Самоочищающаяся
Спиральные теплообменники часто используются для нагрева жидкостей, содержащих твердые частицы, которые склонны к образованию отложений внутри теплообменника. Низкое перепадение давления позволяет спиральным теплообменникам легче справляться с загрязнением. Спиральный теплообменник использует механизм "самоочистки", при котором загрязненные поверхности вызывают локальное увеличение скорости потока, что повышает сопротивление (или трение жидкости) на загрязненной поверхности и способствует удалению отложений, поддерживая теплообменник в чистоте. "Внутренние стенки, формирующие поверхность теплопередачи, обычно достаточно толстые, что делает спиральный теплообменник очень прочным и способным долго работать в тяжелых условиях". Их также легко очищать – они раскрываются, как духовка, где любые отложения можно удалить промывкой под давлением. Самоочищающиеся водяные фильтры поддерживают систему в чистоте и работоспособности без необходимости ее остановки или замены картриджей и фильтров-мешков.
Приложения
Спиральный теплообменник подходит для таких применений, как пастеризация, нагрев дигестеров, рекуперация тепла, предварительный нагрев (см. рекуператор) и охлаждение сточных вод. Для обработки осадка сточных вод спиральные теплообменники (SHE) обычно меньше по размеру, чем другие типы теплообменников. Они используются для передачи тепла.
Мониторинг и техническое обслуживание
Онлайн-мониторинг промышленных теплообменников осуществляется путем отслеживания общего коэффициента теплопередачи. Общий коэффициент теплопередачи обычно снижается со временем из-за обрастания. Периодически вычисляя общий коэффициент теплопередачи на основе расходов и температур теплоносителей, владелец теплообменника может определить, когда очистка теплообменника станет экономически целесообразной. Контроль целостности пластинчатых и трубчатых теплообменников может проводиться непосредственно на месте методами измерения теплопроводности или с использованием гелия. Эти методы подтверждают герметичность пластин или труб для предотвращения перекрестного загрязнения и оценивают состояние уплотнений. Мониторинг механической целостности труб теплообменников может осуществляться неразрушающими методами, такими как вихретоковая дефектоскопия.
Содержание
Пластинчатые и каркасные теплообменники можно разбирать и периодически очищать. Трубчатые теплообменники можно очищать такими методами, как кислотная очистка, пескоструйная обработка, струя воды высокого давления, очистка снарядами или буровыми стержнями. В крупных системах охлаждения воды для теплообменников для минимизации обрастания теплообменного оборудования применяется водоподготовка, включающая очистку, добавление химических веществ и контроль качества. Водоподготовка также используется в паровых системах электростанций и других подобных системах для минимизации обрастания и коррозии теплообменного и другого оборудования. Ряд компаний начал использовать технологию водных колебаний для предотвращения биообрастания. Эта технология, не требующая применения химических веществ, позволяет снизить перепад давления в теплообменниках.
Правила проектирования и изготовления
Конструкция и изготовление теплообменников регулируются многочисленными нормами, которые различаются в зависимости от региона эксплуатации. Нормы проектирования и изготовления включают: ASME Boiler and Pressure Vessel Code (США); PD 5500 (Великобритания); BS 1566 (Великобритания); EN 13445 (ЕС); CODAP (Франция); Pressure Equipment Safety Regulations 2016 (PER) (Великобритания); Pressure Equipment Directive (ЕС); NORSOK (Норвегия); TEMA; API 12; и API 560.
Люди
Носовые ходы человека служат теплообменником: при вдохе воздух охлаждается, а при выдохе – нагревается. Эффективность этого механизма можно продемонстрировать, поднеся руку к лицу и выдохнув сначала через нос, а затем через рот. Воздух, выдыхаемый через нос, будет заметно холоднее. Этот эффект можно усилить с помощью одежды, например, надев шарф на лицо при дыхании в холодную погоду. У видов с наружными яичками (как у человека) артерия, питающая яички, окружена сетью вен, называемой пампиниформным сплетением. Это охлаждает кровь, поступающую к яичкам, и одновременно подогревает венозную кровь, возвращающуюся от них.
Птицы, рыбы, морские млекопитающие
"Противоточные" теплообменники естественным образом встречаются в кровеносных системах рыб, китов и других морских млекопитающих. Артерии, несущие теплую кровь к коже, переплетаются с венами, несущими холодную кровь от кожи, что приводит к обмену тепла между теплой артериальной и холодной венозной кровью. Это снижает общую потерю тепла в холодной воде. Теплообменники также присутствуют в языках усатых китов, поскольку большие объемы воды проходят через их рот. Кулики используют аналогичную систему для ограничения потерь тепла от тела через ноги в воду.
Каротидная сетка
Каротидная сеть — это орган теплообмена противоточного типа у некоторых копытных. Кровь, поднимающаяся по сонным артериям к мозгу, протекает через сеть сосудов, где тепло передается венам с более холодной кровью, нисходящей из носовых ходов. Каротидная сеть позволяет газели Томсона поддерживать температуру мозга почти на 3 °C (5,4 °F) ниже, чем температура остального тела, и тем самым способствует перенесению резких всплесков метаболического теплообразования, например, при бегстве от гепардов (во время которого температура тела превышает максимальную температуру, при которой мозг способен функционировать). У людей и других приматов каротидная сеть отсутствует.
В воздушных судах
В коммерческих самолетах теплообменники используются для отбора тепла из масляной системы двигателя с целью нагрева холодного топлива. Это повышает эффективность использования топлива и снижает вероятность замерзания воды, содержащейся в топливе, в элементах системы.
Текущий рынок и прогноз
Мировой спрос на теплообменники, оцениваемый в 17,5 миллиардов долларов США в 2021 году, как ожидается, будет демонстрировать устойчивый рост примерно на 5% ежегодно в ближайшие годы. Прогнозируется, что к 2030 году рыночная стоимость достигнет 27 миллиардов долларов США. Рост рынка обусловлен растущим спросом на экологически чистые решения и увеличением объемов строительства офисов, торговых площадей и общественных зданий.