Компактни топлообменници

Компактните топлообменници се използват в широка гама от приложения. Типични примери са прилагането им в автомобили, климатични инсталации, охлаждане на електронни устройства, оползотворяване на отпадна и процесна топлина, авиацията, соларни и геотермални системи и др. Разработката на компактни повърхности е водена от необходимостта от леки, заемащи малко пространство и икономични топлообменници.

Някои от специфичните характеристики на компактните топлообменници включват: наличието на разширени повърхности; висока стойност на съотношението топлопреносна повърхност на единица обем от вътрешността (обикновено надхвърляща 700 m2/m3); малък хидравличен диаметър; поне един от флуидите е газ.

Поради малкия хидравличен диаметър и произлизащите от това трудности с почистването използваните флуиди трябва да са с висока чистота и да не водят до замърсяване. Работните налягания и температури са ограничени в определена степен в сравнение с кожухотръбните топлообменници поради тънките оребрявания и/или съединяването им към пластините или тръбите посредством спояване, механично разширение и др.

В резултат на използването на висококомпактни повърхности се получава топлообменник с голяма предна част и малка дължина на потока. Следователно конструкцията на челната част на един компактен топлообменник е от съществено значение за равномерното разпределение на потока.

Характерно за тези топлообменни апарати е, че конструкционните материали за оребряванията в някои приложения са ограничени от работните температури. При ниски до умерени температури оребряванията може да са изработени от алуминий, мед или месинг.

За високотемпературни приложения могат да се използват неръждаема стомана и термоустойчиви сплави, които обаче могат да понижат ефективността на оребряванията. Вследствие на това, за компенсиране на понижението в ефективността могат да бъдат избрани повърхности с високи експлоатационни характеристики или дебелината на оребряванията да бъде редуцирана.

Компактните топлообменници се произвеждат посредством процеси на спояване и заваряване. За ниско- до среднотемпературни приложения оребряванията могат да бъдат присъединени механично.

Основните видове компактни топлообменници са оребрените тръбни топлообменници, оребрените пластинчати топлообменници и регенераторите. Изборът между трите се определя предимно от работните налягане и температура, фазовото състояние на използваните флуиди, замърсяващите свойства на флуида, допустимия пад на налягането, якостта и издръжливостта, ограниченията по отношение на размера и/или теглото и допустимото смесване на прилаганите флуиди.

Оребрени тръбни топлообменници

Този вид топлообменни апарати намира широко приложение в индустрията. Те се използват, когато потокът на единия флуид е с по-високо налягане и/или когато коефициентът му на топлопредаване значително се различава от този на другия флуиден поток.

Например в топлообменник тип газ-течност коефициентът на топлопредаване на течността обикновено е много по-висок в сравнение с този на газа. Оребряванията се използват в газовата страна на апарата, за да се увеличи повърхността. За оребрените тръбни топлообменници най-често се използват тръби с кръгло и правоъгълно сечение (въпреки че понякога се използват и елипсовидни), а оребряванията са от външната или от вътрешната страна, или двустранни в зависимост от приложението. Оребряванията от външната страна на тръбите могат да бъдат класифицирани в следните категории:

• нормални оребрявания на отделни тръби (индивидуално оребрени тръби);

• надлъжни оребрявания на отделни тръби, които обикновено се използват в кондензни приложения и за вискозни течности в двутръбни топлообменници;

• плоски или непрекъснати (обикновени, вълнисти или прекъснати) външни оребрявания на група тръби. Тъй като прекъснатите оребрявания са по-податливи на замърсяване, много потребители предпочитат обикновените непрекъснати оребрявания за случаите, при които замърсяването, особено с влакнести материали, е сериозен проблем.

Някои от специфичните количествени характеристики на оребрените тръбни повърхности са, че тези топлообменници се отличават с по-ниско ниво на компактност от оребрените пластинчати апарати, както и че те могат да бъдат проектирани за широк диапазон работни налягания на флуида в тръбната част, като налягането на другия флуид трябва да е ниско. Характерно за оребрените тръбни топлообменници е, че в тръбната част е допустима определена степен на замърсяване, при положение че тръбите могат да бъдат почистени.

Оребрените тръбни топлообменници се използват широко като кондензатори и изпарители в климатични и охладителни приложения, за охлаждане на вода или масло на двигатели на превозни средства и стационарни двигатели и като въздушно охлаждани апарати в обработващата индустрия и енергетиката. Типично прилаганата конфигурация включва използването на вода, масло или хладилен агент в тръбите и пропускането на въздух през оребрените тръби.

Оребрявания на тръбните топлообменници

Геометрията на индивидуално оребрените тръби е много по-издръжлива, отколкото тази на непрекъснатите оребрявания, но е с много по-ниско ниво на компактност. Най-разпространените индивидуално оребрени тръби са с обикновена кръгла, спирална или пръстеновидна геометрия.

Ребрата се присъединяват към тръбите чрез плътно механично напасване, навиване, залепване, запояване, спояване с твърд припой, заваряване, екструдиране или поставяне на ръкав с оребрявания върху основната тръба.

Обикновените кръгли оребрявания са най-простите и най-разпространените. Те се получават чрез обвиване на тръбата с оребрена лента, като по този начин се получава непрекъснато спирално оребряване, или чрез поставянето на кръгли дискове върху тръбата. Този вид оребрявания се използва често в преработващата индустрия и за възстановяване на топлинна енергия.

В зависимост от височината на ребрата се различават ниско, средно и високо оребрени тръби. При ниско оребрените тръби ребрата се екструдират от тръбния материал с височина от порядъка на 1-2 mm. Оребряванията с номинална височина 1,6 mm са се превърнали в стандарт за ниско оребрените тръби в кожухотръбните топлообменници. Това че оребряванията са неразделна част от тръбите, гарантира максимална ефективност, тъй като няма възможност за отхлабване на ребрата заради корозия, температурно разширение и свиване или поради механична повреда при манипулиране.

Оребрявания с височина приблизително 3,2 mm се определят като средни и обикновено се прилагат в кожухотръбни топлообменници. Въздушно охлажданите топлообменници изискват високи оребрявания с височина от 6,4-25 mm. При системите за възстановяване на топлинна енергия са предпочитани средни до високи оребрявания в тръбните групи с линейна конфигурация.

Конструкционните материали за тръбите, колекторите и водните резервоари се определят от специфичните изисквания за конкретното приложение. Най-често за тръбите и оребряванията се ползват мед, алуминий и стомана. За инсталации с отворен цикъл тръбите се изработват от мед, фосфор-деоксидирана мед, алуминий, месинг и мед-никел-железни сплави. Оребряванията се конструират предимно от алуминий и мед.

Двете възможни конфигурации на тръбите в тръбната група на топлообменника са шахматна и линейна. Единствената разлика между двете е, че при шахматната конфигурация всеки следващ ред е отместен на половин междуцентрово разстояние. Конфигурациите се различават и по динамиката на потока. Заради компактността и високия топлопренос, по-често се използва шахматната конфигурация. Ако въздушният поток обаче е замърсен с прах, абразивни частици и др., се прилага линейната конфигурация, тъй като осигурява възможност за по-лесно почистване.

Оребрени пластинчати топлообменници

Пластинчатите топлообменници са вид компактни топлообменни апарати, състоящи се от група плоски пластини и ребрени набраздявания, споени заедно като блок. Флуидните потоци преминават през образуваните от набраздяванията канали между разделящите пластини.

Набраздяванията служат както като вторични топлообменни повърхности, така и като механични опори за вътрешния натиск между слоевете. В приложения с течности или фазови изменения (към газ) разделящите пластини могат да бъдат заменени от плоски тръби. Оребрените пластинчати топлообменници се използват широко в индустрията заради компактността им. От много години те намират реализация в сепарирането на газове в криогенни приложения и в охладителни системи за авиацията. Използват се за топлообмен между газове, течности или и двете, кондензация, кипене, сублимация или съхранение на топлинна енергия с висока или ниска температура.

Отличителни характеристики на тези топлообменници са употребата им основно в топлообменни апарати газ-газ, приложимостта им за ниски работни налягания и нулевият риск от смесване на флуидите. Максималните работни температури се ограничават от вида присъединяване на оребряванията към пластините и от използваните материали. Оребрените пластинчати топлообменници се проектират за работа при ниски криогенни температури (изцяло от алуминий) до около 800°C (от термоустойчиви сплави).

Приложението на този вид компактни топлообменници се ограничава до използването им с относително чисти флуидни потоци поради малките канали. Не са предназначени за случаи, в които е възможно силно замърсяване, тъй като няма лесен начин за почистването им.

Като предимство на оребрените пластинчати топлообменници може да се посочи възможността за постигане на много висока топлинна ефективност - в криогенни приложения например стойността от 95% е обичайна. При условие че флуидните потоци са относително чисти, този вид топлообменници може да се използва в повечето процеси, за широка гама от състави на потоците и различни налягания и температури.

Също така е възможно постигането на високо съотношение на топлопреносната повърхност за единица обем. В сравнение с кожухотръбните топлообменници пластинчатите предлагат 25 пъти по-голяма повърхност спрямо теглото на оборудването.

Основните ограничения на оребрените пластинчати топлообменници са свързани с размера и замърсяването им. Освен това, поради късите преходни периоди, при стартиране на съоръжението се изисква по-внимателно управление в сравнение с кожухотръбните топлообменници. Като проблем могат да бъдат отчетени и осцилациите на потока.