Теплообменный аппарат (теплообменник) - это устройство, предназначенное для нагрева или охлаждения материального потока (теплоносителя).
Тепловые процессы, происходящие в теплообменных аппаратах, могут быть самыми разными: нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, плавление, затвердевание и более сложные процессы.
В процессе теплообмена может участвовать несколько теплоносителей: тепло от одного из них может передаваться нескольким и от нескольких другу.
Существует несколько классификаций теплообменных аппаратов:
1) по назначению:
- Подогреватели,
- Конденсаторы,
- Охладители,
- Испарители,
- Пароперетворювачи и т.д.
2) по принципу действия:
- Регенераторы;
- Рекуператоры;
- Смесительные аппараты.
Отдельно стоит выделить теплообменники с внутренним источником энергии, в которых применяются не два, как обычно, а один теплоноситель, отводит теплоту, которая выделяется в самом аппарате. Примером могут служить ядерные реакторы, электронагреватели те другие устройства.
В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту устройства, аккумулирующего ее, а затем, в свою очередь, отдает теплоту холодному теплоносителю, т.е. одна и тоже и сама поверхность омывается то горячим, то холодным теплоносителем.
Большинство регенеративных теплообменников работает по принципу периодического действия. Теплообменники, в которых периодически меняются подача и отвод теплоносителей, называются теплообменниками периодического действия. Различные теплоносители поступают в них в разные периоды времени.
На рисунке 3.1 представлено регенеративный подогреватель воздуха периодического действия с переключением потоков, движущихся через насадку.
В регенераторных теплообменниках в качестве промежуточного теплоносителя используют твердый достаточно прочный материал - листы металла, кирпича, различные засыпки. Регенеративные теплообменники используются для высокотемпературного (выше 1000 С) подогрева газов, потому что жаростойкость металлов ограничена, а насадка из огнеупорных кирпичей может работать при очень высоких температурах.
Регенераторы могут работать и непрерывно. В этом случае насадка или стенка, вращающейся попеременно сталкивается с потоками различных теплоносителей и непрерывно переносит тепло из одного потока в другой.
Регенеративные теплообменники применяются на металлургических, коксовых и других заводах, где по характеру технологического процесса необходимо подогретый воздух и в то же время есть большое количество отходящих газов с высокой температурой.
Особенно широко во всех областях техники используются рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячего к холодному теплоносителя передается через разделяющую стенку (например - трубчатый теплообменник). В большинстве рекуперативных теплообменников тепло передается непрерывно, поэтому такие теплообменники называются теплообменниками непрерывного действия. Примерами рекуператоров могут служить паровые котлы, конденсаторы поверхностного типа, отопительные приборы. В промышленности рекуператоры широко используются для подогрева генераторного газа и воздуха теплоносителями, выходящих из печей. Очень широко рекуператоры используются для подогрева воды.
В смесительных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном смешивании теплоносителей, например в конденсаторах смешивают. Такие теплообменники иногда называют контактными. Наиболее важным фактором в рабочем процессе теплообменного аппарата, смешивает, является поверхность соприкосновения теплоносителей. Для увеличения поверхности теплообмена на пути движения теплоносителей размещают насадку, а в случае твердой фазы - ее измельчают.
Смесительные теплообменники наиболее простые и компактные. В них смешиваются теплоносители, не требующих дальнейшего распределения, например, при подогреве воды паром или горячей водой. Для поддержания заданных температур в системе горячего водоснабжения (от 60оС до 75оС) и в радиаторах отопления (до 95оС) смешивают воду, идущую от котельной или ТЭЦ и имеет температуру до 150оС, с водой (от 20 до 70оС), что возвращается от потребителя тепла. Смесительный процесс теплопередачи осуществляется, например, в градирнях, где горячая вода охлаждается окружающим воздухом.
Выбор того или иного типа теплообменника в каждом конкретном случае должен быть обоснованным технико-экономическими расчетами, поскольку каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.