Теплообменные аппараты

21.1 Типы теплообменных аппаратов

Теплообменным аппаратом (ТА) называется устройство, предназначенное для нагревания, охлаждения или изменения агрегатного состояния одного теплоносителя за счет другого теплоносителя. Теплообменники по принципу действия подразделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных ТА (рисунок 21.1,а) теплообмен между горячим и холодным теплоносителем осуществляется через разделительную стенку. Эти аппараты имеют самое широкое применение в судовой технике и используются в качестве водоводяных и водомасляных охладителей в дизелях, а также в качестве бойлеров, подогревателей топлива и др.

Передача теплоты в регенеративных ТА (рисунок 21.1,б) происходит с помощью промежуточных теплоносителей, которые нагреваются от горячего теплоносителя, а затем отдают теплоту холодному теплоносителю. Регенеративные ТА применяются в технологических схемах производства строительных материалов и в газотурбинных двигателях.

Смесительные ТА находят применение в пароэнергетических установках и в холодильной технике. В них теплоносители смешиваются и передача теплоты происходит при непосредственном их контакте. На рисунке 21.2,а показана схема градирни, в которой охлаждение горячей воды осуществляется при её взаимодействии с холодным воздухом.

Особое место среди теплообменников занимают тепловые трубы, которые можно отнести и к рекуперативным, и к регенеративным ТА. В герметичном объеме такого теплообменника (рисунок 21.2,б) находится промежуточный теплоноситель, который кипит при температуре горячего теплоносителя и конденсируется при температуре холодного теплоносителя. Циркуляция промежуточного теплоносителя осуществляется за счет естественных сил гравитации или капиллярных сил. При этом пары, образовавшиеся в горячей зоне, поднимаются вверх, там конденсируются, отдавая теплоту холодному теплоносителю, а конденсат стекает вниз, в горячую зону.

Так как процессы кипения и конденсации весьма энергоёмкие и коэффициенты теплоотдачи в этих процессах велики, в тепловых трубах удается передавать значительные тепловые потоки при небольших перепадах температур. Тепловые трубы применяются в радиоэлектронике, в судовых установках они пока не нашли применения.

В дальнейшем будут рассмотрены только рекуперативные теплообменники как наиболее распространенные в судовых энергетических установках.

21.2 Схемы движения теплоносителей в ТА

По направлению движения теплоносителей рекуперативные теплообменники подразделяются на прямоточные, противоточные и со сложной схемой движения.

При прямоточной схеме (рисунок 21.3,а) направление движения греющей и нагреваемой сред совпадают. В этом случае температура горячего теплоносителя уменьшается вдоль поверхности теплообмена А от до , а температура холодного теплоносителя увеличивается от до .

Противоточная схема (рисунок 21.3,б) предусматривает движение теплоносителей в противоположных направлениях. Существует принципиальная разница между этими схемами: если при прямотоке температура холодного теплоносителя на выходе их ТА никогда не может быть больше температуры греющей среды, то в случае противотока
такое возможно.

В сложных схемах направление движения теплоносителей относительно друг друга может изменяться по длине теплообменника, как это показано на рисунке 21.4. Вариантов таких схем много.В некоторых рекуперативных ТА передача теплоты происходит при изменении агрегатного состояния одного из теплоносителей (испарители и конденсаторы холодильных машин, паровые подогреватели вязких нефтепродуктов и пр.).

На рисунке 21.5 показаны схемы изменения температур теплоносителей при конденсации греющего теплоносителя (а) и при кипении нагреваемого теплоносителя (б). Нетрудно убедиться, что направление движения теплоносителей в таких теплообменниках не имеет принципиального значения, так как процессы кипения и конденсации протекают при постоянных температурах.