Теплообменным аппаратом называют устройство, предназначенное для нагревания или охлаждения теплоносителя. В качестве теплоносителя применяют жидкость или газ. Теплоносители бывают греющие и нагреваемые. Так, например, горячий газ в топке котла является греющим теплоносителем, а вода в котле – нагреваемым; вода в отопительном радиаторе – греющий теплоноситель, а воздух, разносящий теплоту по помещению, – нагреваемый.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на:

· рекуперативные;

· регенеративные;

· смесительные;

· с внутренним тепловыделением.

В рекуперативных теплообменных аппаратах теплота от греющего теплоносителя к нагреваемому передается через разделительную (обычно металлическую) стенку. К ним относятся: парогенераторы, пароперегреватели, водоподогреватели, воздухоподогреватели и различные выпарные аппараты. Рекуперативные теплообменные аппараты подразделяют на: прямоточные, противоточные, перекрестного тока и смешанного тока.

В прямоточном теплообменном аппарате холодный и горячий теплоносители протекают параллельно в одном направлении (рис. 10.10, а).

В противоточном аппарате теплоносители протекают параллельно, но в противоположных направлениях (10.10, б).

Рис. 10.10. Схема теплообменного аппарата:

а) прямоточного б) противоточного

В настоящее время рекуперативные аппараты имеют наибольшее распространение. Они просты по конструкции, компактны и обеспечивают постоянство температур теплоносителей во времени. В основном аппараты выполнены из металла. Причем для теплоносителя, имеющего температуру 400 – 450 °С, трубки изготавливают из углеродистой стали; для теплоносителя, имеющего температуру 500 – 700 °С, – из легированной. При более высоких температурах теплоносителя для аппаратов применяют дорогие металлы и сплавы.

По эффективности отвода теплоты аппараты с противотоком выгоднее аппаратов с прямотоком.

В регенеративных теплообменных аппаратах одна и та же поверхность нагрева (или охлаждения) поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем через определенные промежутки времени. Сначала по каналам регенератора пропускают горячий теплоноситель – продукты сгорания доменных и мартеновских печей, вагранок и т.д. Поверхность нагрева регенератора, отбирая теплоту от горячих газов, нагревается, а затем отдает эту теплоту холодному теплоносителю.

Регенеративные теплообменники применяют в металлургических, стекловаренных и других аналогичных им печах, куда необходимо подавать подогретый воздух.

В смесительных теплообменниках теплообмен осуществляется при непосредственном соприкосновении и смешивании горячего и холодного теплоносителей. Смесительными теплообменными аппаратами являются градирни, скрубберы и другие устройства.

Аппараты с внутренним тепловыделением получили такое название потому, что внутри самого аппарата протекает какой-либо технологический процесс с выделением теплоты. Для того чтобы охладить стенки аппарата, применяют теплоноситель (не два, как обычно, а один), забирающий теплоту от стенок и таким образом охлаждающий их.

К таким аппаратам относятся ядерные реакторы, электронагреватели и другие устройства, в которых технологический процесс протекает с выделением теплоты и повышением температуры.

Влияние загрязнения стенки на передачу теплоты

Поверхности теплообменных аппаратов обычно загрязняются. Так, например, внешние поверхности труб паровых котлов, пароперегревателей, водоподогревателей и т.п. покрываются слоем золы и сажи, образуя дополнительную стенку на пути теплового потока. Коэффициент теплопроводности таких отложений очень мал и составляет 0,1 – 0,2 Вт/(м·К).

При нагревании воды и пара внутренние поверхности труб с течением времени также загрязняются солями, выпадающими в виде накипи. Накипь образует дополнительную стенку с большим термическим сопротивлением. Это ухудшает теплообмен и создает опасность пережога труб.