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

По принципу действия теплообменники могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные, смесительные и с внутренним тепловыделением.

1. В рекуперативных теплообменниках теплота от греющего теплоносителя к нагреваемому передается через разделительную стенку (к ним относятся: пароперегреватели, водоподогреватели, воздухоподогреватели). Рекуперативные теплообменники делятся на: прямоточные, противоточные, перекрестного тока и смешанного тока.

В прямоточном теплообменнике холодный и горячий теплоносители протекают параллельно в одном направлении.

В противоточном аппарате теплоносители протекают параллельно, но в противоположных направлениях.

Рисунок 2.23–  Теплообменные аппараты: а) прямоточная схема; б) противоточная схема.

 

2. В регенеративных теплообменниках 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). Поверхность нагрева регенератора, отбирая теплоту от горячих газов, нагревается, а затем отдает эту теплоту холодному теплоносителю.

3. В смесительных теплообменниках теплообмен осуществляется при соприкосновении и смешивании горячего и холодного теплоносителей. К смесительным теплообменным аппаратам относятся градирни, скрубберы и др.

4. В аппаратах с внутренним тепловыделением протекает какой-либо технологический процесс с выделением теплоты. Для того чтобы охладить стенки аппарата, применяют теплоноситель, забирающий теплоту от стенок и охлаждающий их. К таким аппаратам относятся ядерные реакторы, электронагреватели и др.

Процесс теплообмена разделяют на три основных вида:

1. Теплопроводность – молекулярный перенос в сплошной среде. Т.е. перенос теплоты связанный с изменение внутренней энергии.

2. Конвекция – процесс передачи теплоты из одной части пространства в другую перемещающимися объемами жидкости или газа. Т.е. при конвективном теплообмене имеет место массовый перенос (теплота переносится вместе с массой).

3. Излучение – перенос тепла в виде электромагнитных волн с двукратным превращением: тепловой энергии в лучистую и обратно.

Котельные установки классифицируются:

По давлению:

1.     Паровые котлы низкого давления с Р до 23 атм.

2.     Паровые котлы среднего давления от 23 до 40 атм.

3.     Паровые котлы высокого давления с Р от 40 до 140 атм.

По мощности:

1.     Малой мощности – до 20 тонн пара в час.

2.     Средней мощности – от 20 до 100 тонн пара в час.

3.     Высокой мощности – свыше 100 тонн пара в час.

По конструкции:

1.     Водотрубные (горизонтальные – 25%, вертикальные – 75%) – внутри труб вода, снаружи дымовые газы.

2.     Газотрубные – внутри барабана, заполненного водой, находятся жаровые трубы (одна или более).

По принципу циркуляции:

1.     С естественной циркуляцией (в основном паровые котлы) – вода движется естественно.

2.     С принудительной циркуляцией (в основном водогрейные котлы) – движение воды создается принудительно насосами, которые включены в циркуляционный контур.

По назначению котлы могут быть:

1. Энергетические котельные установки, где вся тепловая энергия полученного пара передается в турбину для преобразования ее в механическую, а затем в электрическую энергию.

2. Теплоэнергетические, где меньшая часть тепловой энергии в виде теплоносителя (горячего пара или горячей воды) отправляется для нужд потребителей (отопления и выполнения технологических процессов), а основная часть теплоты затрачивается для получения электрической энергии.

3.Отопительные – местные котельные установки, снабжающие горячей водой группу домов, расположенную вблизи котельной установки.

К основным рабочим характеристикам котельной установки относятся:

1. Мощность котла D, определяемая количеством пара в единицу времени.

2. Параметры пара (температура, давление).

3. КПД котельного агрегата.

По конструктивному исполнению котлы разделяют на водотрубные и газотрубные.

В водотрубных котлах внутри труб протекает вода и пароводяная смесь, а внешние стенки труб омываются горячими газами. В этих котлах уменьшен объем воды, так как барабан-паросборник значительно меньше барабана-цилиндра.

В зависимости от угла наклона труб к горизонту водотрубные котлы подразделяются на горизонтальные и вертикальные.

По конструкции водотрубные котлы делятся на:

– радиационные;

– радиационно-конвективные;

– конвективные.

Газотрубный котел представляет собой цилиндр, заполненный водой, в котором размещены трубы, омываемые изнутри горячими газами.

Газотрубные котлы подразделяются на жаротрубные, дымогарные и комбинированные.

1. Жаротрубные котлы представляют собой барабан большого диаметра, внутри которого установлена одна жаровая труба. Внутри жаровых труб происходит сжигание топлива (в передней части трубы размещается топка, а вторая часть жаровой трубы служит дымоходом). Образующаяся в топке от горения топлива теплота через стенки жаровой трубы нагревает воду, находящуюся в котле.

Преимущества: компактность, пониженные требование к качеству питательной воды, хорошо подвергаются автоматизации.

Недостатки: ограниченность по рабочему давлению (до 40 атм).

В настоящее время распространены для удовлетворении потребностей в тепле индивидуальных застройщиков.

2. В дымогарных котлах вместо одной трубы большого диаметра в водяном объеме установлен и закреплен пучок дымогарных трубок малого диаметра. Топочные газы из топки по дымогарным трубам направляются через дымоход в атмосферу. Теплота, полученная от сгорания топлива, через стенки топки и дымогарных трубок нагревает воду, заполняющую котел.

По конструкции и компоновке газотрубные котлы делятся на:

– горизонтальные (водогрейные);

– горизонтальные с барабаном – сепаратором (паровые);

– вертикальные с барабаном – сепаратором (паровые).

По компоновке газоходов котлы бывают П-образные, Г-образные, Т-образные, башенные, совмещённые.