Что такое теплообменник?
Предположим, у вас есть газовая печь центрального отопления (бойлер), которая нагревает водяные радиаторы в различных комнатах вашего дома. Он работает за счет сжигания природного газа, образуя линию или решетку из струй горячего газа, которые выстреливают вверх над водой, текущей по сети труб. Когда вода прокачивается по трубам, она поглощает тепловую энергию и нагревается. Такое устройство — это то, что мы подразумеваем под теплообменником: газовые струи охлаждаются, а вода нагревается.
Теплообменник — это устройство, которое позволяет теплу от текучей среды (жидкости или газа) переходить ко второй текучей среде (другой жидкости или газу) без необходимости смешивания двух жидкостей друг с другом или прямого контакта. Если это не совсем понятно, подумайте об этом. Теоретически, мы могли бы получить тепло от газовых форсунок, просто плеснув на них холодной водой, но тогда пламя погасло бы! Основной принцип теплообменника заключается в том, что он передает тепло без передачи жидкости, которая переносит тепло.Фото: Как работает простой теплообменник. Горячая жидкость (показана красным цветом) течет по трубке, свернутой внутри большего корпуса, по которому другая, более холодная жидкость (показана синим цветом) течет в противоположном направлении. Жидкости обмениваются теплом: горячая жидкость охлаждается, а холодная нагревается, при этом они фактически не соприкасаются и не смешиваются. Это упрощенный пример кожухотрубного теплообменника: как правило, теплообменники такой конструкции имеют множество тонких трубок, проходящих через большой кожух. Кстати, аналоги уплотнения для разборных теплообменников под торговой маркой GTE вы можете приобрести здесь, на страницах специализированного сайта.
Для чего используются теплообменники?
Теплообменники можно увидеть в самых разных местах, обычно они используются для обогрева или охлаждения зданий или помогают двигателям и машинам работать более эффективно.
Например, в холодильниках и кондиционерах теплообменники используются в противоположность системам центрального отопления: они отводят тепло из отсека или комнаты, где оно нежелательно, и откачивают его в виде жидкости в какое-либо другое место, где его можно сбросить с дороги. Охлаждающая жидкость полностью герметична внутри сети труб, поэтому она фактически никогда не соприкасается с воздухом: она забирает тепловую энергию из воздуха внутри и выбрасывает ее в воздух снаружи, но она никогда не смешивается непосредственно с этим воздухом.
На фото: Тепловой насос извлекает тепло из природного геотермального горячего источника, используемого для обогрева зданий отеля Hot Springs Lodge and Pool в Гленвуд Спрингс, штат Колорадо. Теплообменник представляет собой покрытую водорослями пластину с медными трубками в центре воды. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерством энергетики США / NREL (Министерство энергетики / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии).
На электростанциях или двигателях выхлопные газы часто содержат тепло, которое бесполезно отводится в открытый воздух. Это пустая трата энергии, которую теплообменник, безусловно, может уменьшить (хотя и не устранить полностью — часть тепла всегда будет потеряна). Способ решения этой проблемы заключается в размещении теплообменников внутри выхлопных труб или дымовых труб. Когда горячие выхлопные газы поднимаются вверх, они проходят мимо медных ребер, по которым течет вода. Вода отводит тепло обратно в установку. Там он может перерабатываться напрямую, возможно, нагревая холодные газы, поступающие в двигатель или топку, экономя энергию, которая в противном случае потребовалась бы для их нагрева. Или это можно использовать для какого-то другого полезного использования, например, для обогрева офиса рядом с дымовой трубой.
В автобусах жидкость, используемая для охлаждения дизельного двигателя, часто пропускается через теплообменник, а возвращаемое тепло используется для нагрева холодного воздуха снаружи, который подается с пола пассажирского салона. Это избавляет от необходимости устанавливать дополнительные, расточительные электрические обогреватели внутри автобуса. Автомобильный радиатор — это еще один вид теплообменника. Вода, охлаждающая двигатель, протекает через радиатор, который имеет множество параллельных, открытых для воздуха алюминиевых ребер. По мере движения автомобиля холодный воздух, проходящий мимо радиатора, отводит часть тепла, охлаждая воду и нагревая воздух и поддерживая эффективную работу двигателя. Отходящее тепло радиатора используется для обогрева пассажирского салона, как в автобусе.
Если у вас энергосберегающий душ, в нем может быть установлен теплообменник на выходе для сточных вод. Когда вода стекает мимо вашего тела вниз по пробке, она проходит через медные катушки теплообменника. Тем временем холодная вода, которая подается в душ для подогрева, прокачивается через те же змеевики, не смешиваясь с грязной водой, но забирая часть ее отработанного тепла и слегка нагреваясь — поэтому душе не нужно нагревать ее так сильно.
Типы теплообменников
Все теплообменники выполняют одну и ту же работу — передают тепло от одной жидкости к другой, — но работают они по-разному. Два наиболее распространенных типа теплообменников — кожухотрубные и пластинчато-ребристые. В кожухотрубных теплообменниках одна жидкость протекает через набор металлических трубок, в то время как вторая жидкость проходит через герметичную оболочку, которая их окружает. Такая конструкция показана на нашей схеме выше. Две жидкости могут течь в одном направлении (известном как параллельный поток), в противоположных направлениях (противоток) или под прямым углом (поперечный поток). Котлы в паровозах работают таким образом.
Анимация: Как работает противоточный кожухотрубный теплообменник. 1) Теплообменник состоит из большого внешнего корпуса (светло-серого цвета) с проходящими через него трубками (темно-серого цвета). 2) Горячая жидкость поступает в трубки сверху слева и выходит из нижнего правого. 3) Охлаждающая жидкость проходит противоположным путем через кожух, входя в нижний правый и выходя в верхний левый. Перегородки (черные линии), которые отклоняют жидкость, текущую через кожух, помогают обеспечить равномерную передачу тепла по всем трубкам.
Пластинчато-ребристые теплообменники состоят из множества тонких металлических пластин или оребрений с большой площадью поверхности (потому что так быстрее происходит теплообмен); теплообменники в газовых печах (газовых котлах) работают именно таким образом.