E-mail: 5405451@gmail.com

История развития теплообменников

Кожухотрубные теплообменники Secespol

Бурное развитие промышленности,  неразрывно связанное с научно-технической революцией второй половины 20 века,  привело к появлению новых и совершенствованию уже существующих систем и установок для преобразования первичных энергоресурсов в требуемые для населения формы энергии,  а также распределения и передачи этой энергии от источников ее производства до объектов использования.  Теплота низкого и среднего потенциала и электроэнергия – это наиболее широко используемые формы энергии.  Практически любое производство связано с процессами выделения или поглощения тепловой энергии.  Поэтому от вида и конструкции теплообменников (аппаратов для передачи тепла от греющей среды (теплоносителя) к нагреваемой среде) зависит производительность и работоспособность оборудования в самых различных сферах человеческой деятельности: металлургической,  химической,  пищевой и других отраслях промышленности,  работа бытовых кондиционеров и обогревателей,  радиаторов охлаждения в автомобилях и т.  д.

Высокая стоимость энергетических ресурсов привела к необходимости создания энергосберегающих технологий,  позволяющих не только рационально и с максимальной эффективностью использовать существующие ресурсы,  но и сохранять окружающую среду.  Замена устаревшего теплотехнического оборудования,  в частности секционных кожухотрубных подогревателей,  является на сегодняшний день назревшей проблемой.  Эффективность,  надежность,  экономичность и простота обслуживания – основные критерии,  которым должны отвечать современные теплообменники.

В настоящее время наиболее распространены теплообменники двух видов: пластинчатые и трубчатые.  В трубчатых теплообменниках нагреваемая среда проходит через трубки малого диаметра,  размещенные в трубе большого диаметра с теплоносителем.  В пластинчатых же теплообменниках теплообмен осуществляется путем передачи тепла через гофрированные пластины толщиной 0, 4-0, 7мм,  изготовляемые преимущественно из нержавеющей стали.

Несмотря на то,  что активное внедрение в производство теплообменников началось только в конце 19 века,  появление первых пластинчатых теплообменников относится еще к 6 веку до нашей эры.  В древней Галлии существовал культ богини-кобылицы Эпоны,  покровительницы коневодства,  поэтому к боевым лошадям здесь было отношение особое: омовение воинов в «термах» (древнеримских банях) было совместным с лошадьми.  В целях дезинфекции воду для омовений нагревали почти до кипения,  а разбавление холодной водой было неприемлемым,  опять-таки,  в силу риска попадания микроорганизмов.  Таким образом,  появление первых теплообменных аппаратов было обусловлено потребностью в больших количествах воды для мытья комфортной температуры.  В походах роль теплообменников успешно играли пластинчатые доспехи или щиты,  для бань же теплообменники изготавливались специально и представляли собой вогнутые металлические листы,  погруженные в резервуар с проточной холодной водой.  Теплообмен между холодной и горячей водой,  протекающей по рифленой поверхности металлического листа,  осуществлялся,  таким образом,  без смешивания разнотемпературных жидкостей,  посредством данного листа из меди или бронзы (иногда,  из золота или серебра).  Причем,  было подмечено,  что наличие чеканного орнамента на металлическом листе значительно ускоряет процесс охлаждения воды,  даже при площади меньшей,  чем у такого же листа,  но без орнамента.  А это значит,  что уже в древние времена опытным путем была установлена зависимость скорости теплопередачи от наличия преград,  заставляющих жидкость перемешиваться при ее движении.

Римская термаТермы строились на всей территории Римской империи,  однако до наших дней сохранились лишь руины.  Одним из чудес Рима считались термы Каракаллы,  отличавшиеся красотой и изысканностью и способные одновременно принять до 2500 человек.

После падения Римской империи в 476 году,  для терм и,  соответственно,  пластинчатых теплообменников наступил период забвения.  Неожиданное возрождение пластинчатого теплообменника начинается в этот период в азиатских странах: Монголии,  Индии и Тибете.  Ордами варваров,  разрушивших Римскую империю,  было вывезено огромное количество ценностей,  в их числе и теплообменники,  нередко изготовленные из золота,  а также огромное количество рабов,  среди которых были и люди,  работавшие ранее в термах.  Таким образом,  постепенно был возрожден культ мытья в банях.  Римские термы под влиянием восточной культуры постепенно преобразовались в такую разновидность бани,  как хаммам.  Видоизменились и теплообменники.  Чеканные украшения на них постепенно сменились эмалевыми рисунками,  поскольку восточные мастера считали чеканку всего лишь украшением,  а ее истинное предназначение - интенсификация теплообмена,  - еще долгое время оставалось для них неведомым.  Однако применение эмалевых покрытий дало неожиданный результат: пластинчатые теплообменники стали гораздо более коррозионноустойчивыми,  что позволило их использовать даже в морской воде.  Так,  с их помощью охлаждали специальные красители в шелковых мастерских,  расположенных на побережье Индийского океана.

Долгие века (со 2 по 12 век) теплообменник оставался однопластинчатым.  Однако необходимость в более компактном устройстве,  пригодном для использования его в боевых походах,  связанных с преодолением больших расстояний,  привела к созданию первого многопластинчатого теплообменника.  Изобретателем нового типа пластинчатого теплообменника был кузнец Зелигман.  Конструкция состояла из набора металлических пластин (3-5 штук),  уложенных одна на другую,  межпластинчатое же пространство уплотнялось специальным шнуром,  пропитанным тюленьим жиром.  Устройство помещалось в бочку,  во внутренние полости которой подавалась горячая вода,  а в наружные – холодная.  Подобный принцип действия в общих чертах свойствен и современным пластинчатым теплообменникам.

Согласно другим источникам,  создателем первого пластинчатого теплообменника была шведская компания Густава де Лаваля,  выпустившая первую модель,  предназначавшуюся для пастеризационного оборудования,  в 1938 году.  Модели первых теплообменников не отличались компактностью и были весьма неудобны в использовании.  Так,  например,  толщина пластин этих теплообменников варьировалась в диапазоне 5-10мм,  тогда как в современных моделях пластинчатых теплообменных аппаратов она практически никогда не превышает 0, 4мм.

До настоящего времени на рынках России преобладали кожухотрубные теплообменники,  пластинчатые же являлись относительно новым видом теплотехнического оборудования.  Конструкция первых пластинчатых теплообменников была схожа с конструкцией фильтр-прессов,  применяющихся в пищевой промышленности.  Бронзовые пластины этих теплообменников имели квадратную форму и устанавливались в специальную раму,  закрепляемую винтом.  Пластины для первых пластинчатых теплообменников нарезались из металлических листов толщиной 15-30мм в отличие от современного метода изготовления путем штампования.  Для уплотнения использовались специальные прокладки,  укладываемые между пластинами по их периметру.  Первые пластинчатые теплообменники,  так же,  как и современные фильтр-прессы,  использовались,  в основном,  для охлаждения и нагрева соков.  Недостаточность сферы применения ограничивала и технические характеристики первых теплообменников: значения давления и температуры не превышали величин 6 атм.  и 110 градусов соответственно.  Причиной подобных ограничений являлась и неразвитость существующих в то время технологий обработки металлов: так,  к примеру,  использующаяся в настоящее время для изготовления пластин,  технология тонколистового проката нержавеющей стали появилась лишь в середине 20 века.  Только в 60-70-х годах прошлого века значительно расширилась сфера применения теплообменников: помимо пищевой промышленности их стали использовать также и в энергетике,  морском и речном судостроении,  фармацевтике и т.  д.  Толчком к этому послужило в первую очередь развитие химической,  обрабатывающей и металлургической промышленности,  приведшее к созданию более совершенных материалов для пластин теплообменников и уплотнителей,  улучшивших их технико-эксплуатационные характеристики,  к серийному производству рам для пластинчатых теплообменников и др.  Современные модели пластинчатых теплообменников могут выдерживать температуры до 180 градусов Цельсия и иметь рабочее давление до 25 атмосфер.  Площадь поверхности единичного теплообменника может доходить до 2500м2,  а максимальный расход воды через такой единичный пластинчатый теплообменник составляет 2500 т/час.  Мощность его может достигать значения 150 МВтСхема конструкции пластинчатых теплообменников.  Подобные технические характеристики дали возможность пластинчатым теплообменникам значительно увеличить перечень областей их применения: они являются необходимым атрибутом технических устройств чуть ли не во всех существующих на сегодняшний день отраслях промышленности.  Конденсация паров,  охлаждение и нагрев жидкостей и газов,  рекуперация тепла – все это неполный список основных сфер использования данного вида теплообменников,  позволяющий,  несмотря на невозможность их применения в условиях высоких температур и давлений,  в отличие от трубчатых теплообменников,  занять значительный сегмент рынка теплообменных устройств.  Востребованность именно данного вида теплообменных аппаратов во многом обусловлена их более высокой эффективностью при использовании в водных средах в сравнении с трубчатыми (в несколько раз).

Все это позволило пластинчатым теплообменникам постепенно вытеснять устаревшие кожухотрубные теплообменники из самых различных областей их применения,  в частности,  из систем горячего водоснабжения.  Сегодня,  отличающиеся долговечностью и надежностью,  современные модели пластинчатых теплообменников являются незаменимым атрибутом российских систем теплоснабжения.


1.  Опорная плита

2.  Передняя пластина (крышка)

3.  Теплообменная пластина

4.  Задняя пластина (крышка)

5.  Прижимная плита

6.  Верхняя направляющая балка

7.  Направляющее основание

8.  Задняя стойка

9.  Стяжной болт

10.  Крепежная гайка

11.  Контр-шайба

12.  Основание задней стойки

13.  Суппорт опорной плиты

14.  Монтажное устройство роликовое

15.  Защитный кожух

16.  Присоединение

Пластинчатый теплообменник


Еще в прошлом веке кожухотрубный метод теплообмена считался наиболее оптимальным решением проблемы теплообмена между двумя разнотемпературными средами и был востребован в самых различных областях человеческой деятельности.  Однако недостатки кожухотрубного метода,  к которым относятся: во-первых – громоздкость кожухотрубных теплообменных устройств,  обусловленная сравнительно низким коэффициентом теплоотдачи,  во-вторых – сложность очистки от отложений и,  связанные с этим,  довольно существенные затраты,  в-третьих – проблематичность в выявлении протечек и многое другое привели к необходимости поиска более надежных методов теплообмена и более эффективных конструкций теплообменников.  Пластинчатые же теплообменники,  являющиеся новым поколением теплообменных аппаратов,  лишены подобных недостатков.  В общих чертах конструкция современного пластинчатого теплообменника представляет собой набор пластин из нержавеющей стали,  соединенных основаниями.  Нагреваемая и охлаждаемая жидкости протекают с разной стороны пластин,  не перемешиваясь,  причем теплообмен происходит по всей поверхности пластин.  Подобное конструктивное решение обусловило существенные преимущества пластинчатых теплообменников перед кожухотрубными:

- при одинаковой мощности пластинчатые теплообменники в 6 раз компактнее кожухотрубных и легче более чем в 10 раз.  Подобное уменьшение габаритов объясняется более высоким коэффициентом теплообмена и,  следовательно,  большей эффективностью в сравнении с кожухотрубными теплообменниками;

- простота монтажа и легкость в эксплуатации.  Наличие входного и выходного патрубков на передней пластине и отсутствие необходимости в наличии специального фундамента значительно облегчают установку агрегата и его обслуживание;

- низкое количество отложений на поверхности пластин теплообменника.  Данный эффект связан с наличием рифления на поверхности пластин,  приводящего к турбулизации потока;

- возможность увеличения мощности существующей конструкции.  При необходимости увеличения тепловой нагрузки на отопление,  горячее водоснабжение или кондиционирование можно на уже имеющуюся раму добавить требуемое количество пластин,  что позволяет при необходимости увеличения пропускной способности обходиться без общего демонтажа трубопроводов и замены патрубков;

- простота ремонта и чистки агрегата.  Замена пластины или прокладки,  чистка всего теплообменного аппарата занимают не более 2 часов;

- появление протечек в прокладке легко определяется простым осмотром,  так как может происходить только наружу.  Протечки же в бойлере могут быть связаны лишь с механическим разрушением пластины теплообменника,  что,  в общем-то,  маловероятно;

- экономичность.

Компактность пластинчатых теплообменников приводит к существенному уменьшению тепловых потерь с поверхностей теплообменного агрегата,  что увеличивает КПД теплообменника.  Пластинчатые теплообменники не требуют дополнительной теплоизоляции,  что также снижает затраты.  Стоимость пластинчатых теплообменников относительно невелика,  несмотря на то,  что для их изготовления используются высококачественные материалы.  Сравнительно небольшие габариты,  позволяющие обходиться без фундамента при установке агрегата,  и простота обвязки,  также являются немаловажными факторами,  способствующими снижению расходов.

Потребность в значительно меньшем расходе теплоносителя (почти на 80 процентов) в сравнении с кожухотрубными теплообменниками соответствует и меньшей требуемой мощности насосов,  меньшим размерам арматуры и периферийного оборудования.  Меньший расход теплоносителя в пластинчатых теплообменниках объясняется: во-первых - более низкой (почти в два раза) скоростью протекания теплоносителя в сравнении с кожухотрубными теплообменниками,  во-вторых – в 6 раз меньшим внутренним объемом пластинчатого теплообменного агрегата,  в-третьих – большим коэффициентом теплопередачи (в 1, 5-3 раза) и,  наконец,  в-четвертых – тем,  что теплоноситель в пластинчатых теплообменниках проходит через агрегат один раз и по кратчайшему пути.  Меньшая мощность насосов требует,  соответственно,  меньших расходов электроэнергии,  а необходимость в меньшем количестве материала снижает капитальные затраты на строительство системы с данным видом теплообменника.

Благодаря высокой сопротивляемости поверхностей теплоносителя в пластинчатых теплообменниках образованию отложений,  снижаются затраты на профилактическое обслуживание и ремонт,  которые,  учитывая простоту сборки-разборки пластинчатых теплообменников,  в сотни раз ниже,  чем при ремонте кожухотрубных теплообменников.

Увеличение срока службы пластинчатых теплообменников,  благодаря использованию устойчивых к коррозии высококачественных материалов также способствует снижению затрат.

Более высокая экономичность обусловлена и высокой надежностью пластинчатых теплообменников: так,  согласно статистическим расчетам в результате контроля работы пластинчатых теплообменных агрегатов в 18 странах в течение 20 млн.  рабочих часов,  что составляет 2300 лет,  было зафиксировано всего 35 случаев выхода из строя теплообменной аппаратуры.  Это соответствует 1 отказу аппаратуры за 65 лет эксплуатации.

Развитие промышленности привело к появлению большого количества теплообменных аппаратов самых различных типов и конструкций,  изготовленных из разных материалов.  Выбор того или иного вида теплообменника обусловлен конкретными требованиями и условиями эксплуатации.

Теплообмен является достаточно сложным процессом,  включающим в себя такие составляющие,  как теплопроводность,  конвекцию и тепловое излучение.  На практике,  в существующих теплообменных аппаратах эти виды теплообмена обычно взаимосвязаны.  Так,  наиболее часто встречающимся сочетанием видов теплообмена в теплообменниках является,  так называемый,  конвективный теплообмен или теплоотдача,  включающая в себя совокупное действие теплопроводности и конвекции (перемешивания).

Теплообменные аппараты подразделяются по способу передачи тепла на поверхностные и смесительные.  В поверхностных теплообменниках нагреваемая и охлаждаемая среды обмениваются теплом через перегородки из материала,  обладающего высокой теплопроводностью,  в смесительных же теплопередача осуществляется посредством перемешивания рабочих сред.  Понятно,  что конструктивно более простые смесительные теплообменники эффективнее.  Однако их использование ограничено теми областями производства,  где смешение разнотемпературных сред допускается технологией,  например,  в установках для утилизации тепла дымовых газов или отработанного пара,  в градирнях.

Пароводяной теплообменник смесительного типа модели УМПЭУ

Смесительные теплообменники используются обычно,  когда смешиваемые вещества легко разделить,  например,  в системах вода-воздух (вода поставляет тепло,  а воздух его принимает) либо,  когда допустимо смешивание веществ,  например,  в системах вода-водяной пар.

Поверхностные теплообменники бывают двух типов: рекуперативные и регенеративные.  Как в рекуперативных,  так и в регенеративных аппаратах теплоноситель и приемник тепла не смешиваются и не соприкасаются,  теплообмен осуществляется через разделительные стенки теплообменника,  разница лишь в том,  что в рекуперативных аппаратах тепловой поток в каждой точке разделительной стенки имеет одно и тоже направление,  а в регенеративных же теплообменниках происходит поочередное соприкосновение теплоносителей с одной и той же поверхностью с изменением направления теплового потока.

Рекуперативные теплообменники в свою очередь делятся на прямоточные (параллельное движение теплоносителей в одном направлении),  противоточные (параллельное встречное движение),  перекрестноточные (взаимноперпендикулярное движение рабочих сред).  Рекуперативные теплообменники – это наиболее распространенный тип теплообменников.  Примером может служить,  например,  электрический котел,  теплоносителем в котором является спираль нагревателя,  а стенка имеет ребристую поверхность.

В зависимости от вида поверхностей нагрева теплообменники подразделяются на:

- теплообменники,  поверхностями нагрева которых являются трубы (змеевики);

-теплообменники с плоскими поверхностями нагрева;

- теплообменники с поверхностями нагрева,  образуемыми стенками теплообменного аппарата.

К первому виду теплообменников относятся,  к примеру,  погружные теплообменники,  поверхность теплообмена которых (змеевик) находится в сосуде с рабочей жидкостью.  Погружные теплообменники низкоэффективны,  что объясняется небольшой скоростью омывания змеевиков жидкостью и,  вследствие этого,  низкой теплоотдачей.  Используются,  в основном,  для охлаждения и нагрева химически агрессивных сред (например,  высококонцентрированных неорганических кислот).

Погружной теплообменник

К этому же типу теплообменников относятся и оросительные теплообменники,  состоящие из труб,  орошаемых снаружи водой.  Орошение водой служит для повышения эффективности теплоотдачи за счет испарения.  Приемником тепла обычно является воздух.  Используются оросительные теплообменники как холодильники для жидкостей или газов,  либо в качестве конденсаторов.  Характеризуются более низким расходом воды в сравнении с холодильниками других типов,  что объясняется частичным испарением орошающей трубы воды.  Несмотря на довольно низкую эффективность теплообмена и большие габариТеплообменники типа «труба в трубе»ты,  оросительные теплообменники выделяются простотой изготовления и эксплуатации,  что делает их востребованными в производствах,  не требующих высокой производительности.

Еще один тип теплообменника носит название «труба в трубе»,  что вполне соответствует его конструкции,  представляющей собой две концентрически расположенные трубы,  где один из теплоносителей циркулирует по внутренней трубе,  а другой – по кольцевому пространству между обеими трубами.  Это простейший теплообменник,  который,  несмотря на несложность конструкции,  обладает многими достоинствами,  такими как: высокий коэффициент теплоотдачи,  возможность очистки теплоносителей при высоком давлении,  простота изготовления и обслуживания.  Допустимо его применение в районах с сейсмоактивностью до 6 баллов.

Конструктивно рекуперативные теплообменники в зависимости от рабочих поверхностей бывают кожухотрубными и пластинчатыми.

Кожухотрубный теплообменник

Кожухотрубные теплообменники являются на сегодняшний день самым распространенным типом теплообменников и широко применяются в химической,  нефтехимической,  пищевой,  целлюлозно-бумажной промышленности,  в энергетике,  судостроении и машиностроении,  компрессорных станциях и холодильной технике.  Появились они в начале двадцатого века в связи с назревшей потребностью тепловых станций в теплообменниках с большой поверхностью,  способных работать при высоких давлениях.  Конденсаторы,  испарители,  подогреватели воды – все это кожухотрубные теплообменники,  в которых теплообмен и термохимические процессы между жидкостями и газообразными веществами могут протекать как с изменением,  так и без изменения агрегатного состояния.  С момента появления до настоящего времени их конструкция с учетом современных достижений науки и техники,  опыта эксплуатации,  появления новых материалов и т.  д.  претерпела ряд усовершенствований и значительно отличается от первых достаточно примитивных моделей.  Развитие нефтяной промышленности в те же годы потребовало самого разнообразного теплообменного оборудования,  такого,  как нагреватели и охладители массы,  испарители и конденсаторы для различных фракций сырой нефти и т.  д.  Кожухотрубные теплообменники,  являющиеся необходимой частью оборудования для нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности,  стали конструировать применительно к новым условиям эксплуатации: работа с загрязненными жидкостями при повышенных значениях температур и давлений требовала таких конструкций теплообменных аппаратов,  очистка и обслуживание которых не представляла бы особых затруднений.

Состоят кожухотрубные теплообменники,  как правило,  из трубных пучков,  закрепленных в трубных досках (трубчатых решетках),  промежуточных перегородок,  корпусов (кожухов),  крышек,  патрубков и опор.  Концы труб крепятся в трубных решетках пайкой,  сваркой или развальцовкой.  Один из теплоносителей движется по трубам,  а второй – в межтрубном пространстве (между кожухом и трубами).

К этому же типу кожухотрубных теплообменников относятся теплообменники с витыми трубками,  а также теплообменники воздушного охлаждения с оребренными трубами.

Используемые,  например,  в холодоснабжении кожухотрубные теплообменники (испарители и конденсаторы) содержат в своей основе медные трубки,  обладающим специально нанесенным внешним и внутренним оребрением,  повышающим эффективность теплопередачи.  Эффективность теплопередачи в холодильном оборудовании увеличивается и при подаче хладагента (фреона) по многоконтурной схеме.  Хладагент в кожухотрубном испарителе циркулирует по медным трубкам,  а вода подается в кожух из углеродистой стали.  Напротив,  в кожухотрубном конденсаторе по трубкам перемещается вода,  а хладагент (фреон) подается в межтрубное пространство (кожух).

Кожухотрубный горизонтальный конденсатор


Кожухотрубный испаритель

Для различных условий технологического процесса и для удобства монтажа кожухотрубчатые теплообменники могут быть изготовлены в вертикальном,  горизонтальном и наклонном исполнении.  Могут быть жесткой,  полужесткой и нежесткой конструкции.  Выбор конструкции по жесткости определяется величинами изменений длины трубок при температурном воздействии.  При незначительных разностях температур корпуса и пучка труб используются наиболее простые аппараты жесткой конструкции.  В теплообменниках нежесткой конструкции допускаются определенные перемещения теплообменных трубок и корпуса для нивелирования возникающих напряжений при температурном удлинении.  Подобная подвижность конструкции обеспечивается различными способами: подвижной трубной решеткой,  сальниковым уплотнением на патрубке и т.  д.  Температурные деформации в аппаратах полужесткой конструкции нивелируются при помощи специальных компенсаторов.  Однако использование полужестких конструкций имеет определенные ограничения: температурные деформации не должны превышать 10-15мм,  а условное давление в межтрубном пространстве должно быть не выше 2, 5 кгс/см2.  Одним из последних достижений в разработке конструкций теплообменников является система с «плавающей головкой».


Особенность конструкции заключается в том,  что одна трубная доска жестко прикреплена к корпусу,  а вторая может свободно перемещаться.  Конструкция,  благодаря высокой надежности и простоте в эксплуатации,  достаточно популярна,  несмотря на габариты и высокую стоимость.

Схема кожухотрубного теплообменника

Кожухотрубные горизонтальные теплообменники являлись неотъемлемой частью систем теплоснабжения в советские времена.  И,  несмотря на то,  что в новых проектах систем теплоснабжения их применение не является единственно возможным ввиду столь значительного недостатка,  как большие габариты,  требующие значительных площадей для размещения,  в отдельных случаях для тяжелых условий эксплуатации и высоких мощностей свыше 3-5 МВт альтернативы таким теплообменникам нет.  Это разборный вид теплообменников,  что облегчает их ремонт и профилактическое обслуживание.

Подобно кожухотрубным горизонтальным теплообменникам с прямыми трубками,  вертикальные кожухотрубные теплообменники нашли свое применение,  как в различных технологических процессах,  так и в большой энергетике.  Отличаются меньшей занимаемой площадью и возможностью дополнительного охлаждения конденсата.


В холодильном оборудовании широко используются испарительные и воздушные конденсаторы,  которые также относятся к кожухотрубным теплообменникам.  Испарительные конденсаторы наиболее применимы в районах с сухим и жарким климатом.  Теплота от хладагента в испарительных конденсаторах передается через стенку трубы воде,  которая стекает по наружной поверхности теплообменной трубы и затем,  при испарении части этой воды,  теплота передается в окружающую атмосферу.  Вода самотеком сливается в водяной бак,  откуда с помощью насоса снова подается в водяной коллектор.  Для усиления эффекта испарения в системе имеется вентилятор.

Для применения в холодильных агрегатах с экономической точки зрения наиболее приемлемы воздушные конденсаторы,  позволяющие сократить как расход воды,  так и затраты на устройства для охлаждения оборотной воды.  Конструктивно воздушные конденсаторы представляют собой систему трубчатых змеевиков,  размещенных в металлическом корпусе.  Хладагент протекает внутри змеевиков,  отбор же теплоты осуществляется путем конвекции воздушных масс с наружных оребренных их поверхностей.

Как горизонтальные,  так и вертикальные кожухотрубные теплообменники отличаются достаточно большой площадью поверхности,  обеспечивающей необходимую эффективность теплообмена.  Теплообменники же с витыми трубками внутри кожуха более компактны.  Высокий коэффициент теплообмена как внутри,  так и снаружи витых труб обусловлен турбулентностью,  возникающей в результате изменений направления течения.  Однако более высокая стоимость подобных теплообменников ограничила их распространение.  Витые теплообменники используют в основном в аппаратуре высокого давления в процессах разделения газовых смесей методом глубокого охлаждения.

Кожухотрубный теплообменник с витыми трубкамиВ настоящее время созданы современные модели кожухотрубных теплообменников с применением турбулизаторов потока,  значительно повышающих эффективность теплоотдачи.  Профилирование внешней поверхности трубок специальными кольцевыми или винтообразными канавками,  приводящее к образованию на внутренней поверхности этих трубок выступов,  привели к существенной интенсификации теплоотдачи.  Высокий КПД такого теплообменного оборудования,  меньшая стоимость,  прочность и надежность,  устойчивость к гидравлическим ударам,  казалось бы,  должны были вытеснить пластинчатые теплообменники иностранного производства с рынка теплообменников.  Однако,  нерешенная проблема очистки внутренних поверхностей трубок,  приводящая к быстрому выходу из строя такого теплообменника,  заставляет искать новые пути в создании теплообменного оборудования.

Одним из направлений в создании и усовершенствовании теплообменных аппаратов является проблема борьбы с коррозией,  особенно актуальная в отношении кожухотрубных теплообменников,  основным материалом для изготовления которых является углеродистая сталь.  В настоящее время для борьбы с коррозией применяется газотермическое напыление трубных досок,  труб пароперегревателей.  Пластинчатые же теплообменники,  изготовляемые,  как правило,  из нержавеющей стали,  эта проблема обошла стороной.

От рабочих характеристик теплообменников,  являющихся неотъемлемой частью современного климатического оборудования,  в немалой степени зависят как тепловой режим здания,  так и возможность сохранения энергии.

Потребность увеличения энергетических мощностей приводят к увеличению массы и размеров используемых теплообменных аппаратов и,  соответственно,  увеличению затрат.  Поэтому одной из основных проблем для конструкторов теплообменного оборудование является проблема уменьшения г

Спиральный теплообменник

абаритов с одновременным ростом эффективности работы.  В целях увеличения КПД создаются и применяются все более сложные схемы теплообмена.  Кроме турбулизаторов,  о которых мы уже говорили,  для ускорения процесса теплопередачи используются,  например,  такие конструкторские решения,  как: использование винтовых вставок для закрутки потока в трубах,  каналы сложной конфигурации,  лопаточные завихрители и т.  д.  В целях интенсификации процесса изменяют и состав теплоносителя: к потоку газа подмешивают капли жидкости или твердые частицы,  а к потоку жидкости – газовые пузырьки.  Интенсификация процесса теплопередачи достигается также при воздействии на теплоноситель ультразвука,  вибрации либо акустического резонанса.

Пластинчатые и спиральные теплообменники являются представителями второго вида теплообменников.  Благодаря высокому КПД (до 60%),  над

ежности и удобству эксплуатации эти теплообменники наиболее востребованы и их популярность неуклонно растет.

Спиральные теплообменники применяются,  главным образом,  в пищевой,  химической,  целлюлозно-бумажной промышленности.  Использование спиральных теплообменников наиболее целесообразно при работе с жидкостями,  содержащими включения в виде твердых частиц.  Их применение является оптимальным решением для конденсаторов парогазовых смесей с инертными газами.Паяные теплообменики

Уже много лет в различных отраслях промышленности успешно применяется такой тип теплообменников,  как паяные пластинчатые теплообменники,  технология производства которых постоянно совершенствуется,  расширяя диапазон их применения.  Испарители,  конденсаторы для холодильного оборудования,  подогреватели горячей воды в котельном оборудовании - представляют собой неполный перечень применений современных паяных теплообменников.  Первые модели паяных теплообменников были разработаны в конце 70-х годов прошлого века группой инженеров,  стоявших у истоков появления международной компании SWEP International AB.  Создание этой инновационной технологии явилось следующей ступенью в эволюции теплообменников и холодильной техники в целом.

В случаях,  когда использование разборных моделей пластинчатых теплообменников нецелесообразно или невозможно по каким-либо причинам,  паяные теплообменники,  обладающие улучшенными технико-экономическими характеристиками,  более широким диапазоном рабочих температур и давлений,  компактностью,  являются наиболее предпочтительными.

Пластины нержавеющей стали,  из которых состоят паяные пластинчатые теплообменники,  имеют гофрированную поверхность,  так называемые,  V-образные гофры,  благодаря которым обеспечивается интенсификация процесса теплообмена и,  связанная с ней,  эффективность теплоотдачи,  остающаяся высокой даже при низких скоростях потоков.  Высокая турбулентность потоков в значительной степени способствует эффекту самоочистки пластин теплообменника.  Особенностью конструкции является расположение каждой из последующих пластин под углом в 180 градусов относительно предыдущей пластины.  При таком расположении пластин образуются проточные каналы,  поочередно заполняемые теплообменивающимися средами,  движущимися в противотоке.  Смешивание теплоносителей при этом полностью исключается,  благодаря высокой герметичности теплообменника.  Так как в процессе теплопередачи задействована фактически вся площадь пластин,  то процесс передачи тепла осуществляется наиболее полно,  обеспечивая высокий КПД процесса при сравнительно небольших затратах.

Третий тип теплообменников,  с поверхностью нагрева,  образуемой стенками аппаратов,  представляют собой реакторы,  которые нагревают змеевики,  размещаемые вокруг него.

Как мы ужРегенеративный роторный теплообменнике говорили,  рекуперативные теплообменники,  наиболее популярный вид теплообменников,  наиболее часто применяющихся в кондиционерах,  котлах,  чиллерах (аппаратах для охлаждения жидкостей),  рекуператорах.  Тем не менее,  применение регенеративного способа теплообмена повышает эффективность работы климатических систем (системы приточно-вытяжной вентиляции),  оптимизируя при этом затраты на отопление.  Это объясняется несколько иным,  чем в рекуперативных теплообменниках,  принципом работы.  Здесь помимо двух теплоносителей присутствует третий элемент – насадка.  Сначала тепло от более нагретого теплоносителя передается насадке и лишь потом холодному теплоносителю,  обеспечивая,  таким образом,  последовательный нагрев и охлаждение тела насадки,  причем направление теплового потока в каждой точке поверхности нагрева в различных фазах теплообмена меняется на противоположное.

КПД такого теплообменника может доходить до 85%,  а легкость управления ротором и нечувствительность его к низким температурам делает такой регенеративный теплообменник незаменимым для использования в вентиляционных системах.

Существуют модели регенеративных теплообменников,  предназначенные специально для использования тепла высокотемпературных дымовых газов температурой до 650 градусов Цельсия.

Особняком стоят теплообменники,  разработанные конкретно для теплоносителей с низкой температурой кипения,  что позволяет повысить эффективность теплопередачи.  Это,  так называемые,  испарительные или двухфазные теплообменники.

Отдельную группу Кожухотрубный графитовый теплообменниксоставляют и графитовые теплообменники,  выделяющиеся исключительной коррозионностойкостью и высокой теплопроводностью,  что делает их незаменимыми в некоторых производствах.  В настоящее время налажен серийный выпуск блочных,  кожухотрубных,  оросительных и погружных теплообменников с графитовыми элементами.  Блочный графитовый теплообменник состоит из одного или нескольких прямоугольных или цилиндрических блоков,  отверстия в которых расположены определенным образом,  обеспечивающим движение теплоносителей по перекрестной схеме.

Блочный графитовый теплообменник

Также,  как и блочные,  кожухотрубные графитовые теплообменники востребованы в качестве нагревателей,  охладителей,  конденсаторов и адсорберов.  Состоят из труб,  трубных решеток и крышек,  изготовленных из графита,  уплотняющих фторопластовых прокладок,  а также металлического кожуха с компенсатором температурных удлинений,  представляющим собой сальниковое уплотнение.

Широкое распространение явлений теплообмена в процессах взаимодействия с окружающей средой,  в энергетике,  транспорте и др.  потребовало большого количества разнообразных конструкций теплообменных аппаратов.  Причем каждая такая конструкция должна обеспечивать оптимальное сочетание тепловой эффективности,  удобства эксплуатации,  минимально возможных начальных капиталовложений и дальнейших эксплуатационных расходов.

Растущая популярность тепловых насосов привела к появлению конструкций теплообменников,  разработанных специально для таких систем.  При использовании теплового насоса тепло посредством теплообменников и внутреннего водяного контура непосредственно передается в обогреваемую часть здания.  Аналогичный эффект используется в системах «чиллер–фанкойл» и называется «байпас чиллера».  Тепло в таком случае отбирается из охлаждающей воды градирни такой системы в сезон,  когда температура окружающего воздуха понижена.  Для справки,  система «чиллер-фанкойл» представляет собой систему кондиционирования воздуха,  состоящую из центральной холодильной машины (чиллера) и локальных теплообменников (фанкойлов),  объединенных трубной разводкой,  по которой с помощью насосной станции циркулирует теплоноситель – охлажденная жидкость.

Система кондиционирования «чиллер-фанкойл»

Использование тепла водоемов и грунтовых вод лежит в основе теплонасосных систем,  организованных по принципу закрытого контура: вода из водоема отдает тепло воде контура посредством теплообменника.

Как уже отмечалось выше,  будущее теплообменных систем связано именно с пластинчатыми теплообменниками.  По прогнозам специалистов,  замена кожухотрубных теплообменников пластинчатыми увеличит эффективность работы от 20 до 30%,  в зависимости от конкретных условий применения.  Конструкции пластинчатых теплообменников продолжают совершенствоваться.  Основной задачей инженеров в настоящее время является максимально возможное уменьшение габаритов теплообменной системы (веса,  размера) при одновременном увеличении ее эффективности.  Наиболее перспективный путь решения этой проблемы – интенсификация теплообмена.  Для достижения подобных результатов разработчиками теплообменников используются различные способы комбинации пластин при фиксировании расстояний между ними,  а также скоростей движения жидкостей-теплоносителей.  Однако применение даже самых современных способов интенсификации теплообмена не гарантируют стабильную,  надежную и эффективную работу в течение длительного времени без своевременной очистки внутренних поверхностей,  загрязняемых отложениями солей,  уменьшающих сечения труб и снижающих теплопроводность стенок.  Особенно важен этот фактор для пластинчатых теплообменников,  оборудованных каналами с очень малым сечением.  Термодинамические параметры таких теплообменников снижаются даже при минимальных слоях накипи.  Инновационные разработки не обошли стороной и эту проблему.  Если ранее для снятия солевых отложений практиковались исключительно химические методы,  т.  е.  для растворения отложений в теплообменник подавались специальные составы,  то в настоящее время этот способ имеет ограниченное применение,  поскольку не всегда эффективен (например,  не действует на кремниевые отложения).  Наиболее популярным в настоящее время инновационным способом защиты труб и каналов теплообменников от солевых отложений является ультразвуковой способ,  который значительно снижает скорость образования накипи.  Впрочем,  в пластинчатых теплообменниках,  ввиду высокой турбулентности потоков теплоносителей,  обеспечивающейся благодаря специальной обработке пластин теплообменника,  их рифлением,  отложение накипи и так происходит чрезвычайно медленно.