Теплообменные аппараты применяются для осуществления теплообмена между двумя теплоносителями с целью нагревания или охлаждения одного из них. В зависимости от целевого назначения теплообменные аппараты называются подогревателями или холодильниками. В ряде случаев целевое назначение имеют оба процесса. Тогда теплообменные аппараты называют собственно теплообменниками.

Часто в теплообменных аппаратах в процессе теплообмена происходит изменение агрегатного состояния одного из теплоносителя: конденсация горячего или испарение холодного теплоносителя. Аппараты, применяемые при конденсации горячего теплоносителя, почти не отличаются от других теплообменников. Если конденсация горячего теплоносителя является целевым процессом, то эти аппараты называются конденсаторами.

По способу передачи тепла различают следующие типы теплообменных аппаратов:

a) поверхностные, в которых оба теплоносителя разделены стенкой;

b) регенеративные, в которых процесс передачи тепла от горячего теплоносителя к холодному разделяется во времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки теплообменника;

c) смесительные, в которых теплообмен происходит при непосредственном соприкосновении теплоносителей.

Среди поверхностных теплообменных аппаратов различают трубчатые, пластинчатые, спиральные, с поверхностью, образованной стенками аппарата, с оребренной поверхностью теплообмена.

Трубчатые теплообменники в свою очередь подразделяются на кожухотрубные, типа "труба в трубе", оросительные, погружные.

Кожухотрубные теплообменники являются одними из самых распространенных, Они состоят из пучка труб, концы которых закреплены в специальных трубных решетках путем развальцовки, сварки, пайки, а иногда на сальниках. Пучок труб располагают внутри общего кожуха, причем один из теплоносителей движется по трубам, а другой – в межтрубном пространстве. Для увеличения скорости движения теплоносителя в трубном пространстве применяют многоходовые теплообменники.

По конструкции различают теплообменники с неподвижными трубными решетками, в которых обе решетки жестко прикреплены к корпусу и трубы не могут свободно удлиняться, и теплообменники с компенсирующими устройствами, в которых трубы могут свободно удлиняться.

Для повышения скорости движения теплоносителя в межтрубном пространстве устраивают продольные и поперечные перегородки.

Продольные перегородки применяют в многоходовых теплообменниках для разделения межтрубного пространства на ходы. Поперечные перегородки используют как в одноходовых, так и в многоходовых теплообменниках.

Достоинства кожухотрубных теплообменников:

- компактность

- небольшой расход металла

- легкость очистки труб изнутри.

Недостатками таких теплообменников являются:

- трудность пропускания теплоносителя с большими скоростями

- трудность очистки межтрубного пространства

- трудность изготовления из материалов, не допускающих развальцовки и сварки.

При эксплуатации теплообменных аппаратов любой конструкции должны выполняться оптимальные гидродинамические условия, обеспечивающие передачу тепла от одного теплоносителя к другому с наименьшими затратами.

Тепловой расчет

Целью теплового расчета является определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса, и выбор стандартизированного теплообменника.

Из основного уравнения теплопередачи

(1)

где F – площадь теплопередающей поверхности, м²;

Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К);

Dtср – средний температурный напор, К.

Определение тепловой нагрузки аппарата

В рассматриваемой задаче нагревание воды осуществляется в вертикальном кожухотрубчатом теплообменнике теплотой конденсирующегося водяного пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле [2]