Рекуперативни топлообменни апарати

Рекуперативните топлообменници са едни от най-често използваните в практиката. Намират широко приложение в редица индустриални области. Традиционно използвани са в енергетиката, химическата, хранително-вкусовата промишленост и други.

Многообразието от конструкции и използвани материали, както и възможностите за работа с различни работни среди, са част от причините, обуславящи широкото им практическо приложение. Характерна тяхна особеност е липсата на контакт между двете среди, между които се извършва топлообмен, като те са разделени от непроницаеми прегради.

За изработването на топлообменниците се използват различни материали, сред които освен метали приложение намират и материали като стъкло, керамика и други, отговарящи на изискванията при експлоатация.

Рекуперативните топлообменни апарати се предлагат в разнообразие от конструкции.

Видове конструкции топлообменници от листов материал

Сред най-широко използваните са пластинчатите топлообменници. Конструктивно те представляват редуващи се пластини, между които се формират процепи за преминаване на двата потока. Често, с оглед на постигане на по-добър топлообмен, пластините се профилират.

За изработването на пластините се използват различни материали като алуминий, стомана и други. Сред условията, на които е необходимо да отговарят използваните материали, е да са с висок коефициент на толопроводимост.

Характерно за пластинчатите топлообменници е, че в повечето случаи при тях не се наблюдава наличието на утечки между двата потока или те са много малки.

Друга разновидност са пластинчато-ребрестите топлообменни апарати. Характерно за тях е наличието на допълнителна нагъната повърхнина между две пластини.

Добре е да се има предвид, че в този случай постигането на ефективна работа на допълнителните повърхнини е в пряка зависимост от осигуряването на добър топлинен контакт между основните и допълнителните пластини. Целта на допълнителните пластини е турболизиране на потока и увеличаване на топлообменната повърхност.

В зависимост от дебитите на работните среди и техните свойства разстоянията между пластините в един и същи пакет могат да бъдат различни.

Друго все по-широко използвано конструктивно решение са спиралните топлообменници.

При тях топлообменната повърхност е оформена от навити метални листове, образуващи спирални канали. Могат да се използват като нагреватели и като охладители, както и като изпарители и кондензатори. Считат се за много подходящи за загряване и охлаждане на гъсти течности. От друга страна, използването им за предаване на топлина между газове не се счита за особено подходящо поради малкото напречно сечение на канала.

Като предимства на спиралните топлообменници могат да се посочат тяхната компактност и възможността да бъдат изработени от различен листов материал, постоянното напречно сечение и липсата на резки изменения на направлението, което допринася за по-малкото замърсяване на повърхностите.

Недостатъците им са свързани с трудния, а понякога и невъзможен, ремонт, трудното им изработване и уплътняване и други.

Разновидност на топлообменниците от листов материал са топлообменните апарати с риза от листов материал.

Тези топлообменници се използват предимно за загряване или охлаждане на течности в съдове и поддържане на зададен температурен режим. Работят предимно с топлоносител пара.

Топлообменът между топлоносителя и нагряваната среда протича в ризата, която се явява топлообменният елемент от съда. Ризата може да се състои от няколко секции в случаите, при които съдовете са предназначени за протичането на повече от един процес.

Използвани конструкции тръбни топлообменници

Тръбните топлообменници се считат за много подходящи за работа в агресивни среди. Те са лесни за почистване и могат да работят при високи температури. В практиката по-широко приложение намират няколко вида тръбни топлообменници, сред които кожухотръбни, елементни (секционни), тип “тръба в тръба”, тип “потопена спирала” и други.

Кожухотръбните топлообменници са едни от най-разпространените топлообменни апарати, намиращи приложение в много индустриални области. Често използвани са в качеството им на кондензатори, изпарители, подгреватели.

Конструктивно представляват цилиндричен кожух, в който е разположен сноп от топлообменни тръби, захванати в тръбни решетки. В краищата си кожухът се затваря с капаци, които в зависимост от конструкцията на апарата са снабдени с прегради за обръщане на посоката на флуида, преминаващ през тръбите.

За подобряване на топлообмена често междутръбното пространство в тези апарати е разделено с прегради за обособяването на няколко хода. Отличителна характеристика на този тип топлообменници е голямата топлообменна повърхност.

Тъй като кожухът и тръбите на апаратите често се изпълняват от различни материали и, съответно, при работа те се нагряват до различна температура, обикновено се предвиждат мерки за компенсация на температурните разширения.

Секционните топлообменни апарати се състоят от няколко последователно присъединени елементи, включващи сравнително малък брой тръби.

Този тип топлообменници се счита за подходящ за работа с течности, непроменящи агрегатното си състояние, движещи се със съизмерими скорости. Все пак се допуска единият от потоците да променя агрегатното си състояние. Могат да се използват и за работа при високи работни налягания.

Предимствата на топлообменниците тип „тръба в тръба” са преди всичко простата им конструкция и, съответно, лесната им изработка и монтаж. Характеризират се с висок коефициент на топлопреминаване и дават възможност за нагряване и охлаждане на среди с високо работно налягане.

Топлообменни апарати с потопена спирала включват тръбна или плоска спирала, потопена в съд с течна работна среда. Те се характеризират със сравнително ниска ефективност поради ниския коефициент на топлоотдаване от външната страна на спиралата.

Характеристики на използваните топлоносители

Рекуперативните топлообменници могат да работят с различни топлоносители, сред които вода, пара, въздух, димни газове, минерални масла и други. Условията, на които е необходимо да отговарят, е да не са токсични, корозионно агресивни, да имат добри топлофизични свойства, да се взриво- и пожаробезопасни и други.

Сред намиращите най-широко приложение топлоносители в практиката е водата. Използва се както за промишлени, така и за битови цели. Подходяща е употребата й и като охлаждаща среда. Характеризира се висок коефициент на топлопредаване, сравнително ниска корозионна активност, голям специфичен топлинен капацитет, както и със сравнително постоянен вискозитет.

Друг широко използван топлоносител е парата. Рекуперативните топлообменници могат да работят с наситена и с прегрята водна пара. Наситената водна пара е с близки до водата топлофизични качества. Характерно за нея е постоянната температура при кондензация.

Тя е безвредна, има много висок коефициент на топлопредаване, постоянна температура при постоянно налягане, голямо количество скрита топлина при изпарение. Недостатъците на водната пара са свързани с необходимостта от високо налягане при високи температури и, съответно, по-голяма дебелина на стените на топлообменника и по-голямо термично съпротивление.

Също така е необходимо да се следи наличието на некондензирали газове, като въздух например, и тяхното непрекъснато отвеждане. С по-ограничено приложение е прегрятата пара. Използва се предимно в случай на необходимост от високи температура на нагряване.

От газообразните топлоносители едни от най-често използваните в промишлеността са димните газове. Използват се основно за загряване на въздух за различни промишлени съоръжения. Използването на минерални масла е сравнително ограничено поради някои техни недостатъци като нисък коефициент на топлопредаване, голям вискозитет, малък специфичен топлинен капацитет, пожароопасност, необходимостта от използването на топлообменни апарати с подходяща конструкция.

В по-специфични приложения се използват и високотемпературни топлоносители.

Разнообразието от приложения на различните конструкции топлообменни апарати определя редица изисквания, на които е необходимо те да отговарят.

Сред тях са: осигуряване на интензивен топлообмен между двете топлообменни среди, висока експлоатационна надеждност и стабилна работа при изменение на параметрите на работните среди, устойчивост на химични въздействия. Също така е добре топлообменникът да позволява проверка на състоянието и да има възможност за почистване, да е устойчив на влиянието на температурните разширения и други.