Проблема теплообмена
Теплообменники — неотъемлемая часть современного климатического оборудования, включающего, пожалуй, максимальное число теплообменных элементов. Практически в любом аппарате, механизме, на любом производстве проходят процессы, связанные с выделением или поглощением тепловой энергии. Теплообменники в виде радиаторов охлаждения есть в каждом автомобиле, в бытовых кондиционерах и обогревателях; теплообменником является давний отечественный кипятильник.
От быстрой доставки или отведения тепла зависит эффективность многих технологических операций и работоспособность техники. С ростом энергетических мощностей и объема производства все более увеличиваются масса и габариты применяемых теплообменных аппаратов. На их изготовление расходуется немало средств и материалов. Многие инженеры, разрабатывающие теплообменное оборудование, озабочены проблемой снижения размеров и массы теплообменников и повышения эффективности их работы.
Усложняется и конструкция теплообменников. Для интенсификации процесса в теплообменных аппаратах используются все более сложные схемы. Например, применяются турбулизаторы, закрутка потока в трубах с помощью винтовых вставок, каналы сложной формы, лопаточные завихрители, расположенные на входе или вдоль всей трубы. С целью повышения эффективности теплообмена к потоку газа подмешиваются капли жидкости или твердые частицы, а к потоку жидкости — газовые пузырьки. Во имя интенсификации процессов воздействуют на жидкость электростатическими или ультразвуковыми полями, используют действие вибрации и акустического резонанса.
Виды теплообменников
По принципу действия теплообменники подразделяются на три основных вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные. В рекуперативных теплообменниках передача тепла осуществляется через твердую разделяющую стенку (обычно металлическую). Тогда теплоноситель и приемник тепла не смешиваются и не соприкасаются, сообщаясь только через стенку теплообменника. Это самый распространенный вид таких устройств, используемый повсеместно.
Теплоносителем может выступать, например, спираль нагревателя в электрическом котле, а стенка может иметь сложную ребристую поверхность. Регенеративные теплообменники работают по более сложному алгоритму. Здесь тепло более нагретого теплоносителя отдается сначала твердому телу насадки, затем — холодному. В этом случае теплоносители последовательно омывают насадку, нагревая и охлаждая ее.
Например, в промышленности используются мощные регенеративные теплообменники, которые сначала забирают тепло у разогретой жидкости, а потом отдают его в воздух, выключаясь из цикла. В смесительных теплообменниках имеет место непосредственное соприкосновение теплоносителя и приемника тепла. Смесительные теплообменники используются в том случае, когда вещества легко разделить после смешения (например, вода поставляет тепло, а воздух его принимает) либо когда вещества можно смешать (например, вода и водяной пар).
Такие теплообменники используются, например, на тепловых электростанциях (в градирнях). По типу устройства теплообменники подразделяются на: теплообменники с поверхностью нагрева, состоящей из труб (имеют вид змеевиков); с плоскими поверхностями нагрева и такие, в которых поверхность нагрева образуется стенками аппарата. Здесь выделяют достаточно много подтипов оборудования.
К оборудованию с поверхностью нагрева, составленной из труб, относятся погружные теплообменники, у которых поверхность теплообмена (змеевик), помещается в сосуд с жидкостью, обычно с водой или антифризом. Оросительные теплообменники состоят из труб, орошаемых снаружи водой. Приемником тепла в данном случае является воздух, а вода повышает теплоотдачу за счет испарения.
Теплообменники «труба в трубе» состоят из двух концентрически расположенных труб, причем один теплоноситель протекает по внутренней трубе, а другой — по кольцевому пространству между обеими трубами. Широко распространены кожухотрубные теплообменники, состоящие из пучка труб, концы которых закреплены в специальных трубчатых решетках. Пучок труб располагается внутри общего кожуха.
В рабочем состоянии один из теплоносителей движется по трубам, а другой — в межтрубном пространстве (между кожухом и трубами). Этот тип теплообменников наиболее распространен в тяжелой промышленности, нефтедобыче и нефтепереработке. Кожухотрубные теплообменники по применимости и распространенности конкурируют с популярными сегодня пластинчатыми теплообменниками.
К этому типу теплообменников также относятся устройства: витые из труб; с теплообменом между стенками аппарата и трубами; использующие оребренные трубы (теплообменники воздушного охлаждения). К теплообменникам с поверхностью нагрева, составленной из плоских элементов, относятся пластинчатые и спиральные. Их применение в последние годы расширяется благодаря практичности и высокому КПД, который может достигать 60 %.
В число теплообменников с поверхностью нагрева, образуемой стенками аппаратов, входят реакторы, нагревающие змеевики, располагаемые снаружи. В этом случае тепло поступает (или отдается) в змеевик, опоясывающий «рубашку» реактора. Дополнительно выделяют подтипы теплообменников, в которых применяют различные типы жидкостей, а также теплоносители, находящиеся в различных агрегатных состояниях. Использование жидкостей с низкой температурой кипения позволяет повысить теплопередачу и эффективность работы теплоотводящего оборудования. Такие теплообменники часто называют испарительными, или двухфазными.
Параметры теплообменника
Поскольку самый распространенный тип теплообменников — рекуперативный, преимущественно они используются в инженерной оснастке при строительстве и обустройстве. Разделение по типу устройства касается именно рекуперативных теплообменников — специалисты наиболее широко проработали их возможности, и на рынке предлагается широкая номенклатура теплообменного оборудования данного типа.
Рекуперативные теплообменники характеризуются следующими параметрами: размером поверхности теплообмена и коэффициентом теплопередачи, оценивающий количество тепла, передаваемое через 1 м2 поверхности теплообмена при разности температур между теплоносителями 1 °C (этот коэффициент зависит от типа теплоносителей, их параметров и скоростей движения). Указанные параметры определяются потребностью в теплопередаче и задают характеристики теплообменника:
- давление и температуру, при которых будет работать теплообменник. Обычно теплообменникам приходится работать при повышенных температуре и давлении, что диктует жесткие требования к прочности материалов и швов;
- поверхность теплообмена, которая позволяет вычислить производительность теплообменника и соотнести ее с фактической потребностью;
- конструкционный материал, непосредственно связанный с двумя предыдущими и определяющий и надежность, и эффективность теплообмена;
- наличие температурных напряжений и необходимость их компенсации (возникают при неравномерном нагреве различных частей теплообменника, что наблюдается главным образом в случае использования больших промышленных теплообменников и требует особого внимания к конструкции, материалам и компенсирующим элементам).
Популярные теплообменники и их использование
Теплообменники используют в котлах, в установках для охлаждения жидкости (чиллерах), в кондиционерах и рекуператорах, отдающих тепло уже нагретого воздуха свежему вентиляционному потоку. Регенеративный теплообмен позволяет повысить эффективность работы климатической системы, сократив затраты на отопление. Другой пример использования теплообменника — системы на основе эффекта теплового насоса.
В этом случае тепло передается через теплообменники и внутренний водяной контур в ту часть здания, где оно необходимо. Подобный же эффект используется в системах «чиллер–фанкойл» и называется «байпас чиллера»: в том случае, когда температура окружающего воздуха достаточно низка, тепло забирается из охлаждающей воды градирни системы «чиллер–фанкойл». К теплонасосным системам относится и использование в качестве источника тепла водоемов и грунтовых вод.
С помощью теплообменника подобную систему можно организовать по закрытому контуру: вода из водоема отдает тепло подготовленной обессоленной воде контура через теплообменник. Подобный подход позволяет избежать проблем, связанных с преждевременным старением и засорением трубопровода внутри здания. В последнее время в климатических системах все чаще используют именно пластинчатые теплообменники.
Как уже отмечалось, они занимают меньше пространства при большей площади теплоотдачи, практичнее и эффективнее. Специалисты утверждают, что применение пластинчатых теплообменников фактически обеспечивает много преимуществ. По экспертным оценкам, замена кожухотрубных теплообменников на пластинчатые позволяет повысить эффективность работы в разных случаях на 20–30 %. Для большинства теплообменников основным конструкционным материалом служат легированные стали или медь.
В качестве припоя применяется медь или более стойкие никельсодержащие материалы. Диапазон давлений для подобных пластинчатых теплообменников достигает 31 бар при температурах до 185 °C. Пластинчатый теплообменник обычно представляет собой элемент, в котором теплоноситель циркулирует в плоскостях между пластинами, скрепленными между собой. На пластинах создают каналы движения теплоносителя, после чего их между собой спаивают или скрепляют иным способом.
Толщина пластин такого теплообменника обычно составляет несколько десятых миллиметра (0,3–0,8 мм). Общая же площадь пластин может варьироваться. Более того, пользователь сам может изменять эффективную площадь теплообмена, вводя в теплообменник дополнительные пластины или извлекая их из него. Отметим, что здесь на первый план выходят физические параметры теплообменников — вес, размер.
Для пластинчатых теплообменников это площадь пластин, и задача инженеров — максимально снизить общий объем теплообменной системы, повысив ее производительность. Для этого теплообменники комбинируют различными способами, фиксируя расстояние между ними и скорость движения жидкостей внутри.
Обслуживание теплообменников
Комфортный климат внутри любого помещения, будь то офис, многоквартирный дом или коттедж, влияет на эффективность работы и удобство жизни людей. Поэтому климатическое (отопительное, кондиционирующее) оборудование нередко работает круглые сутки. При обслуживании разные виды теплообменников требуют различного внимания к себе. Как и с любым оборудованием, здесь необходимы периодические осмотры и контроль стабильности работы теплообменников.
Изменение параметров (например, выходных температур) системы, в которую входит теплообменник, может свидетельствовать о снижении эффективности его работы. В этом случае необходима проверка состояния поверхностей теплообмена. В первую очередь нужно следить за поверхностями, соприкасающимися с водой. В случае использования обычной, неподготовленной воды на стенках труб и пластинчатых теплообменников осаждаются соли, уменьшающие сечения труб и снижающие теплопроводность стенок.
Если для кожухотрубных теплообменников слой накипи в 0,05–0,1 м является вполне нормальным, то для пластинчатых этот показатель критичен — они оборудованы каналами с очень малым сечением. Поэтому даже минимальные солевые отложения быстро изменяют термодинамические параметры таких теплообменников. Соответственно, когда речь идет об очистке внешних поверхностей пластин, все просто, но как только дело касается очистки внутренних каналов, возникают трудности.
Для решения этих проблем используют различные способы. Изначально для снятия солевых отложений применялись только химические способы — в теплообменник подавали специальные составы. Подобный способ очистки широко применяется и по сей день, однако он не позволяет бороться с встречающимися в ряде случаев кремниевыми отложениями. В течение некоторого времени задача оставалась нерешенной, но с недавних пор все популярнее становится ультразвуковой способ защиты труб и каналов теплообменников: ультразвук позволяет снизить скорость образования накипи, а в ряде случаев и вовсе обеспечить работу оборудования без образования отложений.
Однако защитники пластинчатых теплообменников утверждают, что подобное загрязнение происходит крайне медленно вследствие высокой турбулентности потоков теплоносителя, циркулирующего по оборудованию. Эта турбулентность связана с рифлением, которым обладают пластины теплообменника, и их гладкостью. Часто производители заявляют, что пластины специально отполированы для улучшения теплообмена и увеличения турбулентности.
Другой вид работ, связанных с обслуживанием теплообменников, это очистка внешних блоков, соприкасающихся с атмосферным воздухом. Окисление поверхностей здесь играет не самую первую роль, главная же проблема — в механическом загрязнении: внешний блок забивается пылью, пухом тополей, листьями и другим мусором. В результате теплообменник практически перестает пропускать воздух, отвод тепла нарушается, компрессор начинает перегреваться и зачастую выходит из строя.
Поэтому необходимо не реже одного раза в год проводить профилактический осмотр и чистку внешних блоков теплообменников. При надлежащем обслуживании качественный теплообменник прослужит без ремонта 18–20 лет. Для климатического оборудования это критический срок эксплуатации, по истечении которого обычно требуется полная замена. Промышленные же теплообменники практически всегда можно подвергнуть восстановительной процедуре, вернув их в работу после капитального ремонта.
