Теплообменник – это конструкция, назначением которой является изменение температуры проходящих внутри нее газов или жидкостей. Теплообменные агрегаты могут нагревать и охлаждать потоки, при этом процессы часто сопровождаются испарением, появляется конденсат. Подобные системы предназначены для теплообмена между потоками, при этом один из них нагревается, а другой охлаждается. Неважно, какая задача стоит в приоритете – нагрев или охлаждение. Принцип работы теплообменников основывается на обмене теплом между двумя средами.
Виды теплообменных агрегатов:
- поверхностные. В данном случае теплоносители находятся по обе стороны от разделяющей их стенки через которую и происходит обмен теплом;
- смесительные. Конструкция теплообменника этого типа предусматривает непосредственное смешивание теплоносителей. Такие агрегаты эффективны, для их изготовления требуется меньше металла. Минус таких установок заключается в ограниченной область использования, так как не всегда допускается смешение потоков.
- регенеративные. Устройство теплообменника предполагает нагрев потоков при помощи специального инструмента, который переменно нагревается и охлаждается.
Виды теплообменников по назначению:
- нагреватели. Нагрев одного потока осуществляется за счет остывания другого. Такие установки экономичны, так как сокращается необходимость в подведении тепла извне;
- охлаждающие установки (холодильники). Охлаждение потока осуществляется с использованием специального вещества (охлажденной воды, воздуха, пропана). Основным назначением таких агрегатов является охлаждение, нагрев спецвещества – это побочное действие.
К промышленным теплообменникам выдвигается ряд требований:
- коэффициент теплоотдачи материалов должен быть максимально возможным;
- конструкция должна занимать как можно меньше места и расходовать минимум материалов и топлива;
- чистка теплообменника должна осуществляться легко и быстро, при этом в процессе работы конструкция должна быть полностью герметичной и надежной.
Эти же требования предъявляются и к бытовым теплообменным установкам.
По конструкционным особенностям теплообменные установки бывают следующих разновидностей:
- трубчатые. Это наиболее простой тип теплообменников. Отличаются такие устройства низкой ценой, малыми размерами и высокой эффективностью. Конструкции этого типа применяются в химической индустрии. Конструкция выполнена в форме цилиндра, в который помещен ряд трубок. Корпус цилиндра полый, в нем находится теплоноситель. Полость с трубками заполняется другим веществом. Подобные теплообменники используются как конденсаторы. По трубкам протекает в этом случае охлаждающее вещество, а в полость корпуса поступает пар;
- «труба в трубе»;
- пластинчатые. Достоинство этого типа обменников заключается в малом весе и габаритах. Обмениваться теплом могут более двух теплоносителей. Агрегат может содержать неограниченное количество пластин;
- спиралевидные. Такие конструкции состоят из двух листов, изготовленных из стали и закрученных в спираль. Листы образуют клапаны. Теплоноситель поступает в центр конструкции и проходит по периметру, контактная среда движется в противоположном направлении. Устройство защищено корпусом, который снимают для чистки;
- башенные. Основу такого типа обменников составляет разбрызгивание нагретой жидкости в верхней части емкости. Разбрызгиваясь, жидкость теряет часть тепла. Поток воздуха, который проходит в нижней части конструкции поглощает тепло. Недостаток устройства - его огромный размер, который достигает в высоту 100 м.
Теплообмен может происходить в разных с конструктивной точки зрения аппаратах. При выборе конструкции опираются на свойства теплоносителя и контактной среды, сферу использования устройства.
Конструкция теплообменника «труба в трубе»
Теплообменник «труба в трубе» используется в бытовых целях и на промышленных предприятиях. Конструкция состоит из двух труб разного диаметра, расположенных одна внутри другой. Жидкость, которую требуется нагреть или охладить, находится в непосредственном контакте с теплоносителем. Теплообменные трубы располагают вдоль друг друга. Разница в их диаметре позволяет свободно перемещаться теплоносителю. Работает теплообменник по принципу обмена теплом между контактной жидкостью и теплоносителем.
Теплообменные агрегаты такого типа удобны в эксплуатации. Их используют в нефтяной, газовой, химической и пищевой промышленности. Обусловлено это надежностью устройства, герметичностью, удобством обслуживания. Промышленное отопление по вышеописанному типу является оптимальным для больших помещений.
Агрегат состоит из нескольких звеньев. Подача жидкости осуществляется при помощи патрубков. Конструкция выполнена в форме спирали. Прямые участки располагают друг над другом последовательно. Внутренний трубопровод соединяется при помощи специальных дуг. Обвязка теплообменника осуществляется патрубками таким образом, чтобы теплоноситель мог свободно перемещаться. Размер и величина отдельных секций определяется требуемой мощностью теплообменника.
Теплообменники для отопления нередко используются в загородных домах. Но теплообменник своими руками изготовить не так просто. Для этого нужно произвести профессиональный расчет технических параметров устройства, что невозможно без наличия определенных знаний. Процесс сборки агрегата намного проще, нежели его расчеты.
Для самостоятельного изготовления устройства подбирают два отрезка труб разного диаметра. Лучше использовать тонкостенные элементы, так скорость теплообмена значительно повысится. Единственный фактор, влияющий на толщину стенок - это давление жидкости. Важно, чтобы конструкция не деформировалась. Зазор между трубами, помещенными одна в другую должен составлять 1,5 мм – 3 мм со всех сторон. Длина внутренней трубы должна быть меньше внешней. На торцах внешней трубы нужно вмонтировать Т-образные тройники.
Самостоятельное изготовление теплообменников лучше производить из медных элементов. Альтернативой могут стать стальные трубы, но в этом случае эффективность устройства понизится.
Преимущества теплообменников «труба в трубе»
Преимущества теплообменников типа «труба в трубе» основываются на конструкционных особенностях устройства. Перемещение жидкости по агрегату происходит с оптимальной для ее нагрева или охлаждения скоростью. Теплоноситель и константная жидкость находятся между собой в правильном балансе. Достигается это путем подбора оптимального диаметра элементов. Теплообменники для отопления должны быть сконструированы по всем правилам.
Достоинством агрегата в том, что в нем используют разнообразные вещества. В качестве контактной среды выступает вода, пар, газ, любые вязкие жидкости.
Устройства не требуют специального ухода, их не требуется обслуживать. Прочистку теплообменника осуществляют за считанные минуты. Достигается это за счет того, что секции соединены разъемными фланцами. Конструкцию легко разобрать. Это касается и ее ремонта. Вышедшая из строя секция легко демонтируется и заменяется новой либо ремонтируется.
Очистка теплообменника осуществляется не только вручную, но и при помощи специальных механизмов. Устройство для промывки теплообменников представляет собой насосную конструкцию, позволяющую быстро и эффективно удалять все отложения, скопившиеся внутри трубопровода. Таким способом прочищают полностью засоренные конструкции. Для удаления загрязнений используют специальный раствор. Чистящее средство сохраняют и используют неоднократно.
Недостатки теплообменников «труба в трубе»
Конструктивные особенности агрегата содержат в себе не только достоинства, но и недостатки. Устройство достаточно громоздко. Чтобы теплоноситель мог свободно перемещаться используются наружные комплектующие с увеличенным диаметром.
Стоимость оборудования высока. Для изготовления таких агрегатов требуется много металла. Из других материалов изготавливать теплообменник такого типа нецелесообразно. Теплоотдача металлов, к примеру, меди, оптимальна для конструкций такого типа.
Изготовить воздушный теплообменник «труба в трубе» самостоятельно сложно. Приходится прибегать к помощи опытных мастеров. Изготовлению агрегата предшествует расчет теплообменника . Без соответствующей подготовки и расчета вряд ли получится изготовить эффективную конструкцию.
Проектировка теплообменника «труба в трубе»
Первый этап изготовления устройства — это теплотехнический расчет и схема теплообменника. В первую очередь подбирают материал, из которого изготовят агрегат. От теплопроводности трубы зависит эффективность механизма в целом.
Расчет теплообменников подразумевает вычисление следующих параметров:
- от размера внутренней трубы зависит площадь внешней поверхности теплообменника. Теплообмен будет эффективнее, если увеличить эту площадь.
- необходимо вычислить температурную разницу между теплоносителем и контактной средой. Чем выше разница, тем эффективнее теплообмен.
- скорость перемещения веществ внутри устройства зависит от формы трубопровода. Кроме того, вычисляют оптимальную скорость перемещения веществ. Без правильного баланса устройство не сможет функционировать надлежащим образом.
Для изготовления агрегата используют нержавеющие материалы: медь и в редких случаях нержавеющую сталь. Это связано с тем, что теплоноситель способствуют образованию ржавчины внутри устройства. Теплообменники для отопления — необходимые агрегаты для промышленности.