Проходной и непроходной канал теплотрассы отличия

Непроходные каналы в строительстве – устройство, характеристики и советы по выбору

Содержание:

• Назначение непроходных подземных каналов
• Особенности изготовления
• Конструктивные варианты
• Основные характеристики
• Отличия между проходными и непроходными каналами теплотрасс
• Преимущества железобетонных непроходных каналов
• Рекомендации по использованию железобетонных непроходных каналов
• Правила транспортировки и хранения
• Способы контроля качества железобетонной продукции
• Правила монтажа непроходных каналов
• Этапы монтажа непроходных каналов
• Особенности эксплуатации инженерных систем, проложенных в непроходных каналах
• Вопросы-ответы

Непроходные каналы – железобетонные изделия П-образной формы, предназначенные для защиты мелко заглубленных инженерных сетей от механических повреждений и других негативных внешних воздействий: теплотрасс, трубопроводов водоснабжения и других коммуникаций. ЖБИ изготавливают в соответствии с серией 3.903 КЛ-14 Выпуск 1-5.

Назначение непроходных подземных каналов

Эти ЖБИ обычно используют при прокладке инженерных сетей под автомобильными дорогами и строящимися объектами. Они защищают коммуникации от целого ряда негативных факторов:

• давления грунта;
• вибрационных и других техногенных воздействий;
• грунтовых и атмосферных вод;
• повреждения изоляции;
• прямого контакта с грунтом, содержащего большое количество органики.

Особенности изготовления

При производстве этой продукции используют:

• Тяжелые бетоны с классом морозостойкости от F75, водонепроницаемости – от W Конструкции типа КН-1-КН-4 производят из бетонов не ниже класса прочности В15, КН5-КН7 – В20;
• Высококачественную арматурную сталь Вр-1, А-III, А-I.
• Защитные покрытия.

Обработка наружной поверхности ЖБИ гидроизоляционными материалами предотвращает разрушение бетона из-за воздействия грунтовых и атмосферных вод. Исходные материалы, используемые при производстве ЖБИ, выбирают в зависимости от климатических и геологических условий региона, в котором запланирован монтаж инженерной системы.

Конструктивные варианты

В устройство одноячейкового железобетонного непроходного канала входят две части – П-образный лоток и плита перекрытия. У основания стенки имеют максимальную толщину, в верхней части – минимальную. ЖБИ делятся на две группы:

• прямые – КН;
• угловые – КНУ.

Таблица размеров различных типов прямых непроходных каналов

Тип изделия	Высота, мм	Ширина, мм	Длина, мм	Масса, кг
КН-1	280	890	1990	500
КН-2	340	1140	1990	730
КН-3	410	1390	1990	870
КН-4	490	1640	1990	1050
КН-5	540	1740	1990	1150
КН-6	660	2260	1990	1750
КН-7	780	3080	1490	2400

По заказу изготавливают ЖБИ массой более 2,4 тонны. Для их транспортировки и монтажа требуется специальная техника.

Для параллельной прокладки двух трубопроводов используются сборные двухъячейковые непроходные каналы, в конструкцию которых входят:

• два наружных стеновых блока Г-образной конфигурации;
• промежуточный стеновой блок таврового сечения;
• две ребристых плиты перекрытия;
• два блока днища.

Основные характеристики

При выборе непроходных каналов для конкретных эксплуатационных условий учитывают следующие параметры:

• характеристики бетона, из которого изготовлено ЖБИ, – класс прочности на сжатие, классы водонепроницаемости и морозостойкости, отпускную прочность;
• класс и диаметр арматуры, марка стали, из которой она изготовлена;
• вид отделки;
• размеры изделия – проектные и предельно допустимые.

При определении необходимого размера непроходного канала учитывают:

• диаметр трубопровода;
• число труб, прокладываемых в канале;
• толщину теплоизоляции труб;
• расстояние, на котором проложены соседние коммуникации.

Если трасса делает поворот, дополнительно к прямым моделям приобретают угловые непроходные каналы.

Отличия между проходными и непроходными каналами теплотрасс

Непроходными называют каналы с сечением, не позволяющим работникам перемещаться по их внутреннему пространству. Такие ЖБИ используются для укладки инженерных сетей, не требующих регулярных ремонтов и постоянного технического обслуживания.

Для защиты коммуникаций, которые необходимо периодически осматривать, предназначены железобетонные изделия с большими размерами сечения – полупроходные и проходные.

Преимущества железобетонных непроходных каналов

Устойчивый спрос на лотки тепловых сетей обеспечивает комплекс эксплуатационных преимуществ, а именно:

• длительный эксплуатационный период – ЖБИ сохраняют рабочие характеристики в течение не менее 40 лет;
• прочность, способность противостоять сезонным подвижкам грунта;
• устойчивость ко многим агрессивным средам;
• способность переносить достаточно резкие температурные перепады;
• простая форма, обеспечивающая простоту производства.

Рекомендации по использованию железобетонных непроходных каналов

Для длительного сохранения рабочих характеристик этих ЖБИ необходимо, чтобы соблюдался ряд эксплуатационных условий.

• Грунты – непросадочные, слабо агрессивные по отношению к бетонам.
• Грунтовые воды – даже при максимальной высоте подъема не должны достигать уровня, на котором проложена инженерная сеть.

При близком расположении грунтовых вод, частых осадках, обильных талых водах необходимо обустройство дренажной системы.

Правила транспортировки и хранения

При перевозке железобетонных изделий необходимо создать безопасные условия, предотвращающие повреждение во время поездки. Лучший вариант – укладка ЖБИ таким образом, чтобы их можно было перемещать непосредственно из транспортного средства на запроектированное место.

Подъем, погрузка и разгрузка ЖБИ осуществляются с помощью траверс и строп. На платформе изделия должны лежать равномерно, что обеспечивает оптимальное распределение нагрузок по отношению к оси ТС и его колесам. Дистанция между каналами и бортами автомобиля должна быть не менее 15 см. При осуществлении погрузки/разгрузки запрещено свободное падение ЖБИ и их перемещение волоком без прокладок, катков или других приспособлений.

Хранить железобетонные непроходные каналы можно на специально подготовленных площадках – выровненных и имеющих уклон, необходимый для удаления талых и ливневых вод. Изделия с разными размерными и техническими характеристиками укладываются отдельно. Все ЖБИ должны располагаться так, чтобы легко можно было идентифицировать и захватить каждый экземпляр. Между штабелями оставляют проходы и проезды, соответствующие требованиям СНиПа 12-03.

Способы контроля качества железобетонной продукции

Контроль качественных параметров сырья и готовой продукции реализует ОТК (отдел технического контроля) в соответствии с требованиями ГОСТа 13015-2012. Прием продукции осуществляется партиями. При массовом производстве партия формируется из изделий с одинаковыми техническими характеристиками, изготовленных в течение суток. Если изготовление осуществляется нерегулярно, то допускается включать в одну партию ЖБИ, произведенные в течение недели.

Приемка продукции осуществляется на основании документально оформленных:

• входного контроля сырьевой базы;
• поэтапного контроля в процессе изготовления продукции;
• приемочного контроля арматурных конструкций и закладных деталей;
• приемосдаточных испытаний партий бетонной смеси и готовой продукции.

Правила монтажа непроходных каналов

Установка комплектующих осуществляется в технологической последовательности в соответствии с нормативной и проектной документацией.

Основные правила укладки сборных непроходных каналов:

• при использовании для строповки металлических канатов под стропы прокладывают инвентарные подкладки, предназначенные для защиты бетона от повреждений;
• для подъема необходимы грузозахватные средства, равномерно передающие нагрузки на изделия и стропы;
• для проведения монтажных работ необходимо использовать инвентарные стропы и полуавтоматические средства, позволяющие проводить расстроповку дистанционно;
• подъем должен быть плавным, без вращения и раскачивания, с использованием оттяжек – пеньковых или капроновых канатов с размером сечения 19-24 мм;
• необходим постоянный геодезический контроль, результаты которого после окончательной фиксации ЖБИ отражают в исполнительной схеме;
• нельзя перемещать изделия подтягиванием.

Этапы монтажа непроходных каналов

Монтажные работы начинаются с подготовки котлована, на дне которого обустраивают песчаную или бетонную подушку. П-образные конструкции устанавливаются под небольшим уклоном, направленным к месту, где запланирован сток влаги в грунт или ее откачка.

В проектное положение ЖБИ устанавливают по заранее подготовленным ориентирам. При наличии закладных и других фиксирующих элементов монтаж осуществляется в соответствии с ними. Установленные изделия закрепляются постоянными или временными связями. И только после этого осуществляется расстроповка. Временная связь должна обеспечивать устойчивое положение изделия до реализации постоянного крепления. Постоянное закрепление осуществляют после проверки на соответствие фактического положения проектному. Результаты контроля заносят в журнал монтажных мероприятий.

Перед монтажом инженерных коммуникаций и плит-крышек П-образные лотки необходимо очистить от мусора и снега. После укладки плит стыки заделывают цементно-песчаным раствором, конструкцию обрабатывают гидроизоляционными материалами (если это необходимо), засыпают слоем грунта

Двухъячейковые непроходные каналы монтируются немного иначе. Первыми укладывают блоки днища и средние тавровые блоки, затем осуществляют: монтаж труб, установку крайних стеновых блоков, плиты перекрытия.

Особенности эксплуатации инженерных систем, проложенных в непроходных каналах

Железобетонные непроходные каналы используют только для прокладки инженерных сетей, не требующих регулярного техобслуживания, поскольку добраться до трубопровода или других инженерных коммуникаций достаточно сложно. Для этого нужно удалить грунт до верхней плиты и поднять ее за монтажные петли.

Бетонная конструкция должна быть защищена от контакта с ливневыми или грунтовыми водами. Для этого обустраивают дренажную систему с обеих сторон канала. Реализовать задачу позволяют перфорированные асбоцементные или керамические трубы. Их укладывают в подготовленные траншеи на песчаный слой.

Вопросы-ответы

На какой минимальной глубине могут находиться плиты перекрытия канала?  

Минимальная дистанция между плитой перекрытия железобетонного непроходного канала составляет 30 см.

Обязательно ли обрабатывать железобетонные каналы гидроизоляционными материалами?  

Необходимость обработки ЖБИ гидроизоляционными мастиками указывается в проектной документации, разработанной для конкретного объекта. Защитные покрытия могут наноситься в процессе производства продукции.

Чем накрывают непроходные каналы?  

Лотки накрывают плитами перекрытия П-1 или П-3. Второй вариант – установка лотков друг на друга.

Теплопроводы в проходных каналах

Непроходные каналы Непроходные каналы

Компания «Анлер» предлагает приобрести непроходные каналы (НКЛ). Это подземные каналы, которые предназначены для сооружения теплопровода. Они не нуждаются в надзоре. Непроходные каналы, цена которых невысокая, довольно часто используются при прокладке тепловых сетей.

Маркировка и виды изделий

Изготовление непроходных каналов осуществляется по типовым проектам. Маркировка изделий содержит буквы и цифры, которыми обозначаются типы и размеры каналов. Например, канал с маркировкой 2KJI 9060 – это непроходной канал, двухячейковый высотой 60 сантиметров, шириной в 90 сантиметров. Таким образом, цифровое значение, стоящее перед буквой, обозначает количество ячеек в канале. Цифры, которые размещены после буквенного значения – размеры изделий в сантиметрах.

Каналы непроходные классифицируются по конструкции, форме:

Цилиндрические;

Полуцилиндрические;

Прямоугольные.

По материалу изготовления, каналы бывают:

Кирпичные;

Железобетонные;

Бетоноблочные.

Безусловно, каждый вид непроходных каналов имеет свои преимущества и недостатки. Размеры и тип данных изделий подбирают и согласовывают с проектной документацией.

Назначение и применение каналов непроходных

В зависимости от размеров, непроходные каналы определяются разными диаметрами теплопроводов, зазором, который находится между внутренней поверхностью каналов непроходных и поверхностью теплоизоляции теплопровода. Определяются также расстоянием, которое существует между трубными осями.

Основное назначение каналов непроходных – это применение в тепловых сетях. Стоит отметить, что использовать данные изделия можно абсолютно в любых условиях и при любом грунте. Зависимо от наличия, либо отсутствия воздушного зазора, который между канальными стенами и теплоизолирующей поверхности, каналы могут применяться в различных условиях. Например, каналы без зазора используются, в случае если трубопровод поддается тепловой деформацией только в осевом направлении, на других участках теплопровод необходимо использовать каналы непроходные с зазором.

Непроходные каналы, цена которых представлена на сайте, важную роль играют в прокладке теплопроводов. Теплопроводы, которые не имеют воздушного зазора между канальными стенками и поверхностью материала теплоизоляционного используются реже, чем подобные теплопроводы с зазором. Все потому, что трубы из стали поддаются разрушению коррозии из-за высокого уровня влажности.

При производстве каналов применяются только тяжелые марки бетона, а также высококачественная прочная, гибкая сталь для армирования. При покупке непроходного канала следует учитывать размер трубопровода и зазора, который обеспечивает воздушное пространство, существующее между трубой и каналом.

Каналы непроходные характеризуются следующими особенностями:

Прочность и устойчивость;

Водопроницаемость;

Высокий уровень морозостойкости.

Как заказать изделия?

Мы предлагаем купить непроходные каналы по самой выгодной цене в Москве. Уточнить цену на изделия вы можете во время оформления заказа по указанному номеру телефона. У сотрудников компании можно согласовать предварительный объем заказа, сроки выполнения и подходящую дату отгрузки.

Если вы затрудняется с выбором железобетонных изделий, наши сотрудники всегда готовы прийти на помощь. Они с радостью ответят на все вопросы, помогут оформить заказ, дадут профессиональную консультацию. Детально узнать об ассортименте, стоимости, поставки и оплате также можно у наших менеджеров.

Коллекторные сооружения непроходных каналов типа НКЛ предназначаются для защиты коммуникаций, которые прокладываются в их лотках. Обычно эти лотки используются для прокладки трубопропродов самого разного назначения (водопроводных, горячего водоснабжения, газопроводных и пр.), кабелей телефонной проводной связи, кабельного телевизионного вещания, проводных и оптоволоконных сетей Интерне и т. д.

Непроходные каналы состоят из комплекта, включающего всего два составных элемента:

Нижнего лотка – элемента типа ЛН – лоток нижний;

Верхнего лотка – элемента типа ЛП – лоток перекрытия.

Нижние элементы – типа ЛН, служат для укладки на дно канавы, после чего в лотках непроходного канала укладываются коммуникационные элементы (трубопроводы, кабели и т. п.), которые накрываются кроющим элементом – типа ЛП и засыпаются грунтом.

Для повышения надежности при эксплуатации и продления срока службы данныхизделий их рекомендуют укладывать в траншею, после того, как по водоотводным лоткам дренажной системы будут отведены грунтовые воды до уровня, приемлемого для стабильной долговременной работы этих каналов.

Еще один способ повышения качества непроходных каналов – обработка внутренней и внешней поверхности канальных лотков специальным защитным составом, для повышения герметичности.

Лотки непроходных каналов рассчитаны для работы в условиях заглубления до 2,0 м от верха лотка перекрытия. Нагрузка от автотранспорта – по схеме временной нагрузки НГ-90. Изготавливают эти железобетонные изделия из тяжелого бетона марки не хуже В22,5, имеющего морозостойкость не менее 200 циклов (F200) и водонепроницаемость не менее W-6.

Каналы непроходные, в отличие от проходных, имеют меньшую высоту и ширину, соответственно, по такому каналу не сможет пройти человек. Вместе с тем, современные технологии позволяют изготавливать высококачественные долговечные трубы, не требующие постоянного наблюдения и обслуживания. Поэтому устройство непроходных каналов становится более целесообразным: себестоимость каналов трубопроводов меньших размеров значительно ниже, они безопаснее и, с практической точки зрения, являются более рациональным решением при устройстве труб небольшого диаметра.

Железобетонные непроходные каналы подразделяются на два вида:

• КН - каналы непроходные. Устраиваются на прямолинейных участках теплотрассы;
• УКН - непроходные каналы угловые. Применяются при повороте трассы.

Конструкции непроходных каналов запроектированы для прокладки в грунтах вне зоны грунтовых вод, однако при наличии грунтовых вод предусматривается устройство попутного дренажа.

Непроходные каналы представляют собой вытянутую прямолинейную или угловую фигуру - лоток с П-образным сечением. Размеры каналов определяются в зависимости от расстояния между поверхностями труб и каналов, с учетом обеспечения удобного доступа к оборудованию в камерах и воздушного зазора, препятствующего образованию излишков конденсатной влаги.

Непроходные каналы надежно защищают трубопровод с трех сторон. Верхняя, открытая сторона, предполагает установку железобетонных по всей длине канала. Такое решение позволяет не только защищать трубопровод со всех сторон, но и упрощает процесс технического обслуживания или ремонта за счет быстрого доступа к осматриваемому или поврежденному участку - для того, чтобы проникнуть внутрь канала, достаточно всего лишь убрать плиту в том месте трубопровода, где необходимо провести ремонт.

Каналы непроходные монтируются из лотков одной марки, соединенных с помощью коротышей из швеллеров, закладываемых в продольные швы. Швы между лотками заполняются цементным раствором. В местах деформационных швов стыки сборных элементов заполняются битумом. Строповочные отверстия в лотках заделываются цементным раствором или бетоном. Подготовка под каналы определяется проектом в зависимости от грунтовых условий. В сухих грунтах используется песчаная подушка толщиной 100 мм, во влажных грунтах - бетонная подушка толщиной 100 мм. Засыпка траншей производится равномерными слоями толщиной 20-30 см с плотной трамбовкой одновременно с обеих сторон канала.

Железобетонные непроходные каналы испытывают огромные нагрузки на протяжении всей длины трубопровода, которая может составлять не один километр. Поэтому для того чтобы уменьшить нагрузки, трубопровод делят на независимые друг от друга участки посредством установки .

Материал, из которого изготавливаются непроходные каналы, железобетон, обладает существенными преимуществами по сравнению с другими строительными материалами. Высокая прочность, износостойкость и долговечность конструкций из бетона являются наиболее весомыми характеристиками в устройстве подземных коммуникаций. А армированный высокопрочной сталью бетон позволяет обеспечить высокую экономичность расхода материала и, как следствие, снижение веса изделий при сохранении всех технических параметров. Железобетонные каналы просты в монтаже и отлично переносят усилия, которые возникают при движении грунтов. Железобетон стойко переносит эксплуатацию в агрессивных средах, не подвержен деформации при значительных и длительных перепадах температур.

Железобетонные непроходные каналы изготавливаются по серии 3.903 КЛ-14 «Теплоснабжение. Каналы непроходные. Изделия» и ТУ 5858-025-03984346-2001 из конструкционного тяжелого бетона классов по прочности на сжатие В15 и В20. Марка бетона по морозостойкости - F15, по водонепроницаемости - W4. Для увеличения стойкости к химической коррозии и стойкости к влаге в состав бетонной смеси вводят специальные присадки.

Для армирования применяется сталь классов A-I, A-III, BpI в виде сварных сеток. Нижнюю сетку при этом необходимо укладывать в форму на специальные бетонные или пластмассовые подкладки - фиксаторы, толщина которых соответствует толщине защитного слоя бетона. Все детали армирования и закладные изделия дополнительно проходят антикоррозийную обработку.

Каналы непроходные маркируются буквенно-цифровым обозначением, где:

• Буквы обозначают тип канала - канал непроходной КН и угловой канал непроходной УКН;
• Цифра, стоящая после букв через дефис, характеризует порядковый номер изделия по расчетным усилиям и геометрическим размерам.

Основное преимущество проходных ка­налов - постоянный доступ к трубопрово­дам. Проходные каналы позволяют заме­нять и добавлять трубопроводы, проводить ревизию, ремонт и ликвидацию аварий на трубопроводах без разрушения дорож­ных покрытий и разрытия мостовых. Про­ходные каналы применяются обычно на вы­водах от теплоэлектроцентралей и на ос­новных магистралях промплощадок круп­ных предприятий.

Требования к изоляционной конструк­ции теплопровода в проходных и полупро­ходных каналах выполняются сравнительно простыми средствами - посредством защи­ты с помощью покровного слоя из гидро­фобного рулонного материала, например полиэтилена или бризола; теплоизоляцион­ной оболочки на трубопроводе от капель­ной влаги, могущей образоваться на пере­крытии и стенках канала и, кроме того, ус­тановкой на подвижных и неподвижных опорах прокладок из материалов, обладаю­щих диэлектрическими свойствами, напри­мер паронита для электрической изоляции металлического трубопровода от несущей конструкции канала и окружающего грунта.

В тех случаях, когда количество парал­лельно прокладываемых трубопроводов не­велико (два-четыре), но постоянный доступ к ним необходим, например при пересече­нии автомагистралей с усовершенствован­ными покрытиями, теплопроводы сооружа­ются в полупроходных каналах (рис. 2).

3.1.2. Теплопроводы в непроходных кана­лах.

Каналы собираются из унифицирован­ных железобетонных элементов разных раз­меров (рис. 3). Для надежной и долговеч­ной работы теплопровода необходима за­щита канала от поступления в него грунто­вых или поверхностных вод. Как правило, нижнее основание канала должно быть вы­ше максимального уровня грунтовых вод.

Для зашиты от поверхностных вод на­ружная поверхность канала (стены и пере­крытия) покрывается оклеенной гидроизо­ляцией из битумных материалов.

При прокладке теплопроводов ниже мак­симального уровня грунтовых вод сооружа­ются попутные дренажи, снижа-ющие мест­ный уровень грунтовых вод по трассе тепло­провода ниже его основания. Основное преимущество теплопровода с воздушным зазором по сравнению с бес­канальным заключается в создании благо­приятных условий для высыхания тепловой изоляции, а сухая тепловая изоляция, как было сказано выше, уменьшает не только тепловые потери, но и опасность химиче­ской и электрохи-мической наружной корро­зии подземного теплопровода. На рис. 4. показано изменение темпе-ратуры воздуха в непроходном канале теплопровода с воздушным зазором. Воздух по сечению канала имеет неоди­наковую температуру, которая растет в на­правлении от поверхности изоляционной оболочки к перекрытию канала (на рис. 4 показано сплошной линией) и снижается в направлении, указанном пунктирной ли­нией, т.е. у верхнего перекрытия и вдоль наружной стенки канала от перекрытия к днищу. В процессе охлаждения воздуха у верх­него перекрытия поверхности наружной стенки из него выпадает влага, которая в ви­де капель стекает со стен канала на его дно. Для защиты изоляционной конструкции те­плопровода от капельной влаги, выпадаю­щей на перекрытии, ре­комендуется устанавливать поверхность верхнего перекрытия с поперечным накло­ном к горизонту. Угол наклона для железо­бетонных перекрытий может быть принят равным 4-8°. В каналах с воздушным зазором изоля­ционный слой может выполняться в виде подвесной или монолитной конструкции. На рис. 3 показан пример выполнения подвесной изоляционной конструкции. Она состоит из трех основных элементов:

Все о кожухотрубчатых теплообменниках

Теплообменники — это устройства, передающие энергию в форме тепла от одного рабочего тела к другому, будь то твердые вещества, жидкости или газы. Эти устройства необходимы для охлаждения, производства электроэнергии, отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и т. д. Они бывают разных форм и размеров, которые могут как отводить тепло, так и отводить его. Понять, чем один теплообменник отличается от другого, часто бывает сложно, поэтому эта статья поможет читателям получить вводные сведения об одном из самых популярных теплообменников — кожухотрубном теплообменнике. Эта статья призвана раскрыть, что такое кожухотрубные теплообменники, как они работают, какие типы существуют и как они используются в промышленности.

Что такое кожухотрубные теплообменники?

Рисунок 1: Типичный кожухотрубный теплообменник. Обратите внимание на многочисленные внутренние трубки (слева) и внешнюю оболочку, в которой они находятся.

Изображение предоставлено: https://www.haarslev.com/products/shell-tube-heat-exchanger/

Все теплообменники построены по одному и тому же принципу, а именно: горячая жидкость, обтекающая или обтекающая более холодную жидкость, передает свое тепло (и, следовательно, свою энергию) в направлении холодного потока (чтобы ознакомиться с законами термодинамики, ознакомьтесь с нашей статью о теплообменниках). Подумайте о том, когда вы впервые беретесь за руль в холодный день: сначала разница температур между вашей рукой и рулем велика, и вы можете почувствовать, насколько он холодный; однако, если вы продолжаете держать руль, часть тепла вашей руки будет поглощаться холодным рулем, и руль «нагревается». Этот пример является интуитивно понятным способом понять основные принципы работы любого теплообменника: две жидкости с разными температурами находятся близко друг к другу и позволяют им «обменяться» теплом через некоторый проводящий барьер.

Кожухотрубные теплообменники

— это, проще говоря, устройство, в котором две рабочие жидкости находятся в тепловом контакте с помощью труб, размещенных во внешней цилиндрической оболочке. Эти два интегральных пути обычно строятся из теплопроводных металлов, обеспечивающих легкий теплообмен (сталь, алюминиевые сплавы и т. д.). Трубки несут жидкость от входа к выходу («трубный» поток), а оболочка пропускает по этим трубкам отдельную жидкость («раковинный» поток). Количество труб, известное как трубный пучок, будет определять, какая площадь поверхности подвергается воздействию потока со стороны кожуха, и, следовательно, определяет, сколько тепла передается. Эти устройства являются одними из наиболее эффективных средств теплообмена, поскольку они легко монтируются, обслуживаются, компактны и обеспечивают превосходную теплопередачу. Они широко распространены в промышленности и используются для конденсаторов, охладителей турбин, испарителей, подогрева питательной воды и многого другого.

Как работают кожухотрубные теплообменники?

Рисунок 2: маркированная схема кожухотрубных теплообменников. На этом рисунке показана типичная компоновка, но обратите внимание, что существует множество конфигураций.

Изображение предоставлено: Ченгель, Юнус А. и Афшин Дж. Гаджар. Тепломассоперенос: основы и приложения. Нью-Йорк: McGraw-Hill, 2011. Печать.

На рис. 2 выше показана типичная конфигурация кожухотрубных теплообменников с этикетками для удобства чтения. Как объяснялось ранее, основной задачей кожухотрубных теплообменников является пропускание горячей жидкости через холодную жидкость без их смешивания, так что передается только их тепло. На приведенной выше схеме показаны два входа и два выхода, где каждая жидкость начинается на соответствующем входе и выходит из устройства на своих выходах. Поток со стороны трубы проходит через пучок труб (закрепленный металлическими пластинами, известными как трубные решетки или трубные доски) и выходит из выходного отверстия трубы. Точно так же поток со стороны кожуха начинается на входе в кожух, проходит по этим трубам и выходит на выходе из кожуха. Коллекторы по обеим сторонам пучка труб создают резервуары для потока со стороны труб и могут быть разделены на секции в соответствии с конкретными типами теплообменников.

Каждая трубка содержит вставку, известную как турбулятор, которая создает турбулентный поток в трубках и предотвращает отложение осадка или «засорение», а также увеличивает теплообменную способность теплообменника. Конструкторы также вызывают турбулентность в оболочке с помощью барьеров, известных как перегородки, которые максимизируют тепловое смешивание, происходящее между жидкостью на стороне оболочки и трубами охлаждающей жидкости. Жидкость со стороны межтрубного пространства должна обходить эти перегородки, в результате чего поток неоднократно проходит через пучок труб, таким образом передавая энергию и выходя из теплообменника при более низкой температуре. В некоторых кожухотрубных теплообменниках используются перегородки разной формы для максимизации теплопередачи, а в некоторых вообще не используются.

Кожухотрубчатые теплообменники могут быть однофазными или двухфазными. Однофазный теплообменник поддерживает постоянную фазу жидкости на протяжении всего процесса (например, жидкая вода входит, жидкая вода выходит), в то время как двухфазный теплообменник вызывает изменение фазы в процессе теплопередачи (например, пар входит и жидкая вода выходит). Они также могут быть однопроходными или многопроходными, что просто описывает, сколько раз потоки со стороны трубы/со стороны кожуха проходят через устройство. На рис. 1 показана многоходовая конфигурация, в которой межтрубный поток несколько раз проходит над трубами теплоносителя, прежде чем выйти через выходное отверстие. Если бы на рисунке 1 не было перегородок, то теплообменник считался бы однопроходным устройством, поскольку поток со стороны трубы и поток со стороны межтрубного пространства проходят друг через друга только один раз.

Типы кожухотрубчатых теплообменников

Стандартные типы кожухотрубных теплообменников регулируются Ассоциацией производителей трубчатых теплообменников или TEMA. Они разделили все конструкции теплообменников на три основные части: переднюю часть, кожух и заднюю часть, и обозначили их буквами. Существует много видов каждого компонента, но в этой статье речь пойдет только о наиболее распространенных стандартных теплообменниках ТЕМА, поскольку они являются тремя наиболее популярными моделями. Эти три типа представляют собой теплообменники с U-образной трубой, неподвижной трубной решеткой и теплообменниками с плавающей головкой.

U-образный теплообменник

Рис. 3: U-образный теплообменник.

Изображение предоставлено: https://www.enggcyclopedia.com/wp-content/uploads/2019/05/U-tube-shell-tube-exchanger.png

На рис. 3 показана типичная компоновка U-образных теплообменников и показано, откуда они получили свое название. Пучок труб состоит из непрерывных трубок, изогнутых в форме буквы «U», и прикрепленных к оболочке с помощью одной трубной пластины (показана выше). Охлаждающая жидкость течет из верхней половины коллектора через U-образные трубки, а затем выходит из нижней половины коллектора, создавая характерную многоходовую конструкцию. Изгиб позволяет происходить тепловому расширению без использования каких-либо компенсационных швов, поскольку сторона изгиба свободно плавает в оболочке и имеет место для расширения/сжатия. Они отлично подходят для использования при высоких перепадах температур, где ожидается расширение, и единственным существенным недостатком этих теплообменников является то, что их изгибы трудно чистить.

Теплообменник с фиксированной трубной решеткой

Рис. 4: Фиксированный трубный теплообменник.

Изображение предоставлено: https://www.enggcyclopedia.com/wp-content/uploads/2019/05/U-tube-shell-tube-exchanger.png

В теплообменнике с неподвижной трубной решеткой используются две неподвижные трубные решетки (обозначены выше), которые привариваются непосредственно к кожуху. Они являются наиболее экономичным вариантом кожухотрубной конструкции, так как наиболее просты в изготовлении. Однако, поскольку трубы жестко прикреплены к оболочке через трубные доски, расширение должно быть предотвращено. Если существует большая разница температур между потоками со стороны трубы и со стороны кожуха, операторы рискуют расшириться и повредиться, поэтому разница температур должна быть небольшой. Еще одним недостатком моделей с фиксированной трубной решеткой является то, что снаружи их трубы недоступны для очистки. Используемая межтрубная жидкость не должна загрязнять трубы снаружи, иначе эффективность теплообменника снизится.

Теплообменник с плавающей головкой

Рисунок 5: Теплообменник с плавающей головкой.

Изображение предоставлено: https://www.enggcyclopedia.com/2019/05/shell-tube-heat-exchanger-types/

Теплообменник с плавающей головкой сочетает в себе лучшие аспекты обеих предыдущих конструкций. Один конец труб неподвижно удерживается на корпусе с помощью фиксированной трубной решетки, а другой конец может свободно расширяться с помощью компонента, известного как плавающая трубная решетка. Эта часть позволяет трубам расширяться при повышенных температурах без необходимости сгибания труб. Операторы могут получить доступ к трубкам для легкой очистки, а также могут создать высокую разницу температур, не опасаясь сломать устройство. Таким образом, теплообменник с плавающей головкой является лучшим теплообменником с точки зрения эффективности и технического обслуживания, но, естественно, имеет более высокую стоимость.

Технические характеристики и критерии выбора

Теплообменники такого типа используются в промышленности на химических заводах, в электрогенераторах, холодильниках и т. д. Можно купить модульные теплообменники, которые будут работать в большинстве небольших ситуаций, но теплообменники большого масштаба требуют дополнительной работы. Они строятся на основе процесса, частью которого они являются; в результате они должны быть спроектированы таким образом, чтобы их конкретные конструктивные параметры можно было согласовать с деталями стандарта TEMA. Таким образом, покупатели могут заказать свой теплообменник и быть уверенными, что он отлично подойдет для их применения. Производители теплообменников создали технологические таблицы, которые помогают начать эту процедуру, и ниже приведен пример, показывающий, какая информация необходима:

 

Рис. 6: пример описания процесса для начала процесса спецификации трубчато-кожухового теплообменника, заполненного примерами данных.

Изображение предоставлено: http://xchanger.com

Каждая компания, скорее всего, будет иметь свои собственные показатели, но есть некоторые значения, которые обычно встречаются во всех описаниях процессов, а именно:

1. Состав и расход жидкостей
2. Желаемое изменение температуры
3. Требуемые свойства жидкости (плотность, вязкость, теплопроводность)
4. Желаемая рабочая температура и давление

Этот список далеко не исчерпывающий, но определение этих параметров сделает вас на один шаг ближе к созданию правильного теплообменника. Лучше всего сначала понять необходимые механические и тепловые потребности, прежде чем обращаться к какому-либо поставщику, поэтому используйте эти вопросы, чтобы помочь определить потребности для вашего теплообменника.

Резюме

В этой статье представлено понимание того, что такое кожухотрубные теплообменники и как они работают. Для получения дополнительной информации о сопутствующих продуктах обратитесь к другим нашим руководствам или посетите платформу поиска поставщиков Thomas, чтобы найти потенциальные источники поставок или просмотреть сведения о конкретных продуктах.

Источники:

1. http://www.thermopedia.com/content/1121/
2. https://www.haarslev.com/products/кожухотрубный теплообменник/
3. https://www.enggcyclopedia.com/2019/05/кожухотрубные теплообменники/
4. http://stoppingclimatechange.com/Shell-and-Tube%20Heat%20Exchangers.pdf
5. https://classes.engineering.wustl.edu/mase-thermal-lab/me372b5.htm

Прочие теплообменники Артикул

• Все о теплообменниках «вода-вода» — что нужно знать
• Все о печных теплообменниках — что нужно знать
• Все о теплообменниках вода-воздух — что вам нужно знать
• Все о теплообменниках «воздух-воздух» — что нужно знать
• Общие сведения о теплообменниках
• Все о пластинчатых теплообменниках — что нужно знать
• Все о двухтрубных теплообменниках — что нужно знать

Больше из технологического оборудования

Общие сведения о теплообменниках — типы, конструкции, области применения и руководство по выбору

Крупный план части теплообменника вода-воздух.

Изображение предоставлено: Алаэттин ЙИЛДИРИМ/Shutterstock.com

Теплообменники — это устройства, предназначенные для передачи тепла между двумя или более жидкостями, т. е. жидкостями, парами или газами, имеющих разные температуры. В зависимости от типа используемого теплообменника процесс теплопередачи может быть газ-газ, жидкость-газ или жидкость-жидкость и происходить через твердый сепаратор, который предотвращает смешивание жидкостей, или прямой поток жидкости. контакт. Другие конструктивные характеристики, включая конструкционные материалы и компоненты, механизмы теплопередачи и конфигурации потока, также помогают классифицировать и классифицировать типы доступных теплообменников. Эти теплообменные устройства, находящие применение в самых разных отраслях промышленности, разработаны и изготовлены для использования как в процессах нагрева, так и в процессах охлаждения.

В этой статье основное внимание уделяется теплообменникам, изучению различных доступных конструкций и типов и объяснению их соответствующих функций и механизмов. Кроме того, в этой статье изложены соображения по выбору и общие области применения для каждого типа теплообменного устройства.

Термодинамика теплообменника

Конструкция теплообменника представляет собой упражнение в термодинамике, науке, изучающей поток тепловой энергии, температуру и взаимосвязь с другими формами энергии. Чтобы понять термодинамику теплообменника, хорошей отправной точкой является изучение трех способов передачи тепла: проводимости, конвекции и излучения. В разделах ниже представлен обзор каждого из этих режимов теплопередачи.

Проводимость

Теплопроводность — это передача тепловой энергии между материалами, находящимися в контакте друг с другом. Температура — это мера средней кинетической энергии молекул в материале: более теплые объекты (имеющие более высокую температуру) демонстрируют большее молекулярное движение. Когда более теплый объект соприкасается с более холодным объектом (тот, который имеет более низкую температуру), между двумя материалами происходит передача тепловой энергии, при этом более холодный объект получает больше энергии, а более теплый объект становится менее заряженным. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не будет достигнуто тепловое равновесие.

Скорость, с которой тепловая энергия передается в материале за счет теплопроводности, определяется следующим выражением:

 

В этом выражении Q представляет собой количество тепла, переданного через материал за время t , ΔT представляет собой разность температур между одной и другой сторонами материала (температурный градиент), A представляет собой площадь поперечного сечения материала, d - толщина материала. Постоянная k известен как теплопроводность материала и зависит от внутренних свойств материала и его структуры. Воздух и другие газы обычно имеют низкую теплопроводность, в то время как неметаллические твердые вещества имеют более высокие значения, а металлические твердые вещества обычно имеют самые высокие значения.

Конвекция

Конвекция – это передача тепловой энергии от поверхности посредством движения нагретой жидкости, такой как воздух или вода. Большинство жидкостей расширяются при нагревании и, следовательно, становятся менее плотными и поднимаются по сравнению с другими более холодными частями жидкости. Итак, когда воздух в комнате нагревается, он поднимается к потолку, потому что он теплее и менее плотный, и передает тепловую энергию, сталкиваясь с более холодным воздухом в комнате, затем становится более плотным и снова падает к полу. Этот процесс создает естественный или свободный конвекционный поток. Конвекция также может происходить за счет того, что называется принудительной или вспомогательной конвекцией, например, когда нагретая вода прокачивается по трубе, например, в водяной системе отопления.

Для свободной конвекции скорость передачи тепла выражается законом охлаждения Ньютона:

 

 

Где Q-точка — скорость теплопередачи, ч _c — коэффициент конвективной теплопередачи, A — площадь поверхности, на которой происходит процесс конвекции, ΔT — разность температур между поверхность и жидкость. Коэффициент конвективной теплоотдачи h _c является функцией свойств жидкости, подобно теплопроводности материала, упомянутого ранее в отношении теплопроводности.

Радиация

Тепловое излучение — это механизм передачи тепловой энергии, который включает излучение электромагнитных волн от нагретой поверхности или объекта. В отличие от проводимости и конвекции, тепловое излучение не требует наличия промежуточной среды для переноса волновой энергии. Все объекты, температура которых выше абсолютного нуля (-273,15 ^o C) излучают тепловое излучение в обычно широком спектральном диапазоне.

Чистая скорость потери тепла излучением может быть выражена с использованием закона Стефана-Больцмана следующим образом:

 

где Q — теплопередача в единицу времени, T _h — температура горячего объекта (в абсолютных единицах, ^o K), T _c — температура более холодного окружения (также в абсолютных единицах, ^o K), σ – постоянная Стефана-Больцмана (значение которой равно 5,6703 x 10 ^-8 Вт/м ² K ⁴ ). Термин, представленный ε , представляет собой коэффициент излучения материала и может иметь значение от 0 до 1, в зависимости от характеристик материала и его способности отражать, поглощать или передавать излучение. Это также функция температуры материала.

Основные принципы, лежащие в основе теплообменников

Независимо от типа и конструкции, все теплообменники работают в соответствии с одними и теми же фундаментальными принципами, а именно нулевым, первым и вторым законами термодинамики, которые описывают и определяют передачу или «обмен» тепла от одной жидкости к другой.

• Нулевой закон термодинамики гласит, что термодинамические системы, находящиеся в тепловом равновесии, имеют одинаковую температуру. Кроме того, если каждая из двух систем находится в тепловом равновесии с третьей системой, то две первые системы должны быть в равновесии друг с другом; таким образом, все три системы имеют одинаковую температуру. Этот закон, предшествующий трем другим законам термодинамики по порядку, но не по развитию, не только выражает тепловое равновесие как переходное свойство, но также определяет понятие температуры и устанавливает ее как измеримое свойство термодинамических систем.
• Первый закон термодинамики основывается на нулевом законе, устанавливая внутреннюю энергию ( U ) как еще одно свойство термодинамических систем и указывая на влияние тепла и работы на внутреннюю энергию системы и энергию окружающей среды. Кроме того, первый закон, также называемый законом преобразования энергии, по существу гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена, а только передана в другую термодинамическую систему или преобразована в другую форму (например, в теплоту или работу).

  Например, если тепло поступает в систему из окружающей среды, происходит соответствующее увеличение внутренней энергии системы и уменьшение энергии окружающей среды. Этот принцип можно проиллюстрировать следующим уравнением, где ΔU _{система} представляет внутреннюю энергию системы, а ΔU _{окружающая среда} представляет внутреннюю энергию окружающей среды:

• Второй закон термодинамики устанавливает энтропию ( S ) как дополнительное свойство термодинамических систем и описывает естественную и неизменную тенденцию Вселенной и любой другой замкнутой термодинамической системы к увеличению энтропии с течением времени. Этот принцип можно проиллюстрировать следующим уравнением, где ΔS представляет собой изменение энтропии, ΔQ представляет собой изменение тепла, подведенного к системе, а T представляет собой абсолютную температуру:
  Он также используется для объяснения тенденции двух изолированных систем, когда они взаимодействуют и свободны от всех других влияний, двигаться к термодинамическому равновесию. Как установлено вторым законом, энтропия может только увеличиваться, но никогда не уменьшаться; следовательно, каждая система по мере увеличения энтропии неизменно движется к наибольшему значению, достижимому для указанной системы. При этом значении система достигает состояния равновесия, при котором энтропия больше не может ни увеличиваться (поскольку она максимальна), ни уменьшаться, поскольку это действие нарушило бы второй закон. Следовательно, возможны только те системные изменения, при которых энтропия не претерпевает изменений (т. Е. Отношение количества тепла, добавляемого или отводимого в систему, к абсолютной температуре остается постоянным).

В целом эти принципы определяют основные механизмы и операции теплообменников; нулевой закон устанавливает температуру как измеримое свойство термодинамических систем, первый закон описывает обратную зависимость между внутренней энергией системы (и ее преобразованными формами) и энергией окружающей ее среды, а второй закон выражает тенденцию двух взаимодействующих систем к взаимодействию. двигаться к тепловому равновесию. Таким образом, теплообменники функционируют, пропуская жидкость с более высокой температурой ( F ₁ ) для прямого или косвенного взаимодействия с жидкостью более низкой температуры ( F ₂ ), что позволяет передавать тепло от F

0 1 F ₂  для достижения равновесия. Этот перенос тепла приводит к снижению температуры для F ₁ и повышению температуры для F ₂ . В зависимости от того, направлено ли приложение на нагрев или охлаждение жидкости, этот процесс (и устройства, которые его используют) можно использовать для направления тепла к системе или от нее соответственно.

Как указано выше, все теплообменники работают по одним и тем же основным принципам. Однако эти устройства можно классифицировать и классифицировать несколькими различными способами в зависимости от их конструктивных характеристик. К основным характеристикам, по которым можно классифицировать теплообменники, относятся:

• Конфигурация потока
• Способ изготовления
• Механизм теплопередачи

Конфигурация потока

Конфигурация потока, также называемая схемой потока теплообменника, относится к направлению движения жидкостей внутри теплообменника по отношению друг к другу. В теплообменниках используются четыре основные конфигурации потока:

• Прямоток
• Противоток
• Перекрестный поток
• Гибридный поток

Прямоток

Прямоточные теплообменники , также называемые прямоточными теплообменниками, представляют собой теплообменные устройства, в которых жидкости движутся параллельно и в одном направлении друг с другом. Хотя эта конфигурация обычно приводит к более низкой эффективности, чем конфигурация с противотоком, она также обеспечивает наибольшую тепловую однородность по стенкам теплообменника.

Противоточный поток

Противоточные теплообменники , также известные как противоточные теплообменники, сконструированы таким образом, что жидкости движутся антипараллельно (т. е. параллельно, но в противоположных направлениях) друг другу внутри теплообменника. Противоточная конфигурация, наиболее часто используемая из конфигураций потока, обычно демонстрирует наивысшую эффективность, поскольку она обеспечивает наибольшую передачу тепла между жидкостями и, следовательно, наибольшее изменение температуры.

Перекрестный поток

В перекрестноточных теплообменниках жидкости текут перпендикулярно друг другу. Эффективность теплообменников, в которых используется эта конфигурация потока, находится между эффективностью противоточных и прямоточных теплообменников.

Гибридный поток

Теплообменники с гибридным потоком демонстрируют некоторую комбинацию характеристик ранее упомянутых конфигураций потока. Например, в конструкциях теплообменников может использоваться несколько проходов потока и устройств (например, как противоточных, так и поперечно-точных устройств) в одном теплообменнике. Эти типы теплообменников обычно используются для учета ограничений приложения, таких как пространство, бюджетные затраты или требования к температуре и давлению.

На рис. 1 ниже показаны различные доступные конфигурации потока, включая конфигурацию с перекрестным/встречным потоком, которая является примером конфигурации с гибридным потоком.

Рис. 1. Конфигурации потока теплообменника

Способ изготовления

В то время как в предыдущем разделе теплообменники классифицировались на основе типа используемой конфигурации потока, в этом разделе они классифицируются на основе их конструкции. Конструктивные характеристики, по которым можно классифицировать эти устройства, включают:

• Рекуперативный и регенеративный
• Прямое и непрямое
• Статическая и динамическая
• Типы используемых компонентов и материалов

Рекуперативный и регенеративный

Теплообменники можно классифицировать как рекуперативные теплообменники и регенеративные теплообменники.

Разница между рекуперативными и регенеративными теплообменными системами заключается в том, что в рекуперативных теплообменных аппаратах (обычно называемых рекуператорами) каждая жидкость одновременно протекает по собственному каналу внутри теплообменника. С другой стороны, регенеративные теплообменники , также называемые емкостными теплообменниками или регенераторами, позволяют поочередно пропускать более теплые и более холодные жидкости через один и тот же канал. И рекуператоры, и регенераторы могут быть дополнительно разделены на различные категории теплообменников, такие как прямые или непрямые, статические или динамические, соответственно. Из двух указанных типов рекуперативные теплообменники чаще используются в промышленности.

Прямое и косвенное

В рекуперативных теплообменниках используются процессы прямого или непрямого контакта для обмена теплом между жидкостями.

В теплообменниках прямого контакта жидкости не разделяются внутри устройства и тепло передается от одной жидкости к другой посредством прямого контакта. С другой стороны, в непрямых теплообменниках жидкости остаются отделенными друг от друга теплопроводными компонентами, такими как трубы или пластины, на протяжении всего процесса теплопередачи. Компоненты сначала получают тепло от более теплой жидкости, когда она проходит через теплообменник, а затем передают тепло более холодной жидкости, когда она проходит через теплообменник. Некоторые из устройств, в которых используются процессы прямого контактного переноса, включают градирни и паровые инжекторы, а устройства, в которых используются процессы непрямого контактного переноса, включают трубчатые или пластинчатые теплообменники.

Статическая и динамическая

Существует два основных типа регенеративных теплообменников — статические теплообменники и динамические теплообменники. В статических регенераторах (также известных как регенераторы с неподвижным слоем) материал и компоненты теплообменника остаются неподвижными, когда жидкости проходят через устройство, в то время как в динамических регенераторах материал и компоненты перемещаются на протяжении всего процесса теплопередачи. Оба типа подвержены риску перекрестного загрязнения между потоками жидкости, что требует тщательного проектирования во время производства.

В одном примере статического типа более теплая жидкость проходит через один канал, а более холодная жидкость проходит через другой в течение фиксированного периода времени, в конце которого с помощью быстродействующих клапанов поток меняет направление таким образом, что два жидкости переключают каналы. В примере динамического типа обычно используется вращающийся теплопроводный компонент (например, барабан), через который непрерывно протекают более теплые и более холодные жидкости, хотя и в отдельных, герметичных секциях. Когда компонент вращается, любая данная секция попеременно проходит через более теплый пар и более холодные потоки, позволяя компоненту поглощать тепло от более теплой жидкости и передавать тепло более холодной жидкости по мере ее прохождения. На рис. 2 ниже показан процесс теплопередачи в регенераторе роторного типа с противоточной конфигурацией.

Рисунок 2 – Теплопередача в регенераторе роторного типа

Компоненты и материалы теплообменника

Существует несколько типов компонентов, которые можно использовать в теплообменниках, а также широкий спектр материалов, используемых для их изготовления. Используемые компоненты и материалы зависят от типа теплообменника и его предполагаемого применения.

Некоторые из наиболее распространенных компонентов, используемых для изготовления теплообменников, включают кожухи, трубы, спиральные трубы (змеевики), пластины, ребра и адиабатические колеса. Более подробная информация о том, как эти компоненты функционируют в теплообменнике, будет представлена ​​в следующем разделе (см. Типы теплообменников).

В то время как металлы очень подходят и широко используются для изготовления теплообменников из-за их высокой теплопроводности, как в случае теплообменников из меди, титана и нержавеющей стали, другие материалы, такие как графит, керамика, композиты или пластмассы , может предложить большие преимущества в зависимости от требований приложения теплопередачи.

Рисунок 3 – Классификация теплообменников по конструкции Примечания: * Теплообменные устройства, перечисленные под классификациями конструкции, являются лишь небольшой выборкой из имеющихся.
**Изображенная классификация приведена на сайте Thermopedia.com.

Механизм теплопередачи

В теплообменниках используются два типа механизмов теплопередачи: однофазный и двухфазный теплообмен.

В однофазных теплообменниках жидкости не претерпевают никаких фазовых переходов на протяжении всего процесса теплопередачи, а это означает, что как более теплые, так и более холодные жидкости остаются в том же состоянии вещества, в котором они поступили в теплообменник. Например, в системах теплопередачи вода-вода более теплая вода теряет тепло, которое затем передается более холодной воде и не переходит в газообразное или твердое состояние.

С другой стороны, в двухфазных теплообменниках текучие среды претерпевают фазовый переход в процессе теплопередачи. Фазовый переход может происходить в одной или обеих участвующих текучих средах, что приводит к переходу от жидкости к газу или от газа к жидкости. Как правило, устройства, использующие двухфазный механизм теплопередачи, требуют более сложных конструктивных решений, чем устройства, использующие однофазный механизм теплопередачи. Некоторые из типов доступных двухфазных теплообменников включают бойлеры, конденсаторы и испарители.

Типы теплообменников

В зависимости от указанных выше конструктивных характеристик имеется несколько различных вариантов теплообменников. Некоторые из наиболее распространенных вариантов, используемых в промышленности, включают:

• Кожухотрубчатые теплообменники
• Двухтрубные теплообменники
• Пластинчатые теплообменники
• Конденсаторы, испарители и бойлеры

Кожухотрубные теплообменники

Наиболее распространенный тип теплообменников. Кожухотрубные теплообменники состоят из одной трубы или ряда параллельных труб (т. е. пучка труб), заключенных в герметичный цилиндрический сосуд высокого давления (т. е. кожух). Конструкция этих устройств такова, что одна жидкость течет через меньшую трубку (трубки), а другая жидкость течет вокруг ее / их внешней (их) и между ней / ними внутри герметичной оболочки. Другие конструктивные характеристики, доступные для этого типа теплообменника, включают оребренные трубы, одно- или двухфазный теплообмен, противоточные, прямоточные или перекрестные схемы, а также одно-, двух- или многоходовые конфигурации.

Некоторые из доступных типов кожухотрубных теплообменников включают теплообменники со спиральными змеевиками и теплообменники с двойной трубой, а некоторые из применений включают предварительный нагрев, охлаждение масла и производство пара.

Крупный план пучка труб трубчатого теплообменника.

Изображение предоставлено: Антон Москвитин/Shutterstock.com

Двухтрубные теплообменники

Форма кожухотрубного теплообменника. В двухтрубных теплообменниках используется простейшая конструкция и конфигурация теплообменника, состоящая из двух или более концентрических цилиндрических труб или трубок (одна трубка большего размера и одна или несколько трубок меньшего размера). В соответствии с конструкцией кожухотрубного теплообменника одна жидкость течет через меньшую трубу (трубы), а другая жидкость течет вокруг меньшей трубы (трубок) внутри большей трубы.

Требования к конструкции двухтрубных теплообменников включают в себя характеристики рекуперативного и непрямого контактных типов, упомянутых ранее, поскольку жидкости остаются разделенными и проходят через свои собственные каналы на протяжении всего процесса теплопередачи. Тем не менее, существует некоторая гибкость в конструкции двухтрубных теплообменников, поскольку они могут быть спроектированы с прямотоком или противотоком и использоваться модульно в последовательных, параллельных или последовательно-параллельных конфигурациях в системе. Например, на Рисунке 4 ниже показана передача тепла в изолированном двухтрубном теплообменнике с прямоточной конфигурацией.

Рис. 4. Теплопередача в двухтрубном теплообменнике

Пластинчатые теплообменники

Также называемые пластинчатыми теплообменниками, пластинчатые теплообменники состоят из нескольких тонких гофрированных пластин, соединенных вместе. Каждая пара пластин создает канал, по которому может течь одна жидкость, а пары укладываются друг на друга и соединяются болтами, пайкой или сваркой, так что между парами создается второй проход, по которому может течь другая жидкость.

Стандартная пластинчатая конструкция также доступна с некоторыми вариантами, например, с пластинчато-ребристыми или подушечными пластинчатыми теплообменниками. Пластинчато-ребристые теплообменники используют ребра или прокладки между пластинами и допускают несколько конфигураций потока и более двух потоков жидкости, проходящих через устройство. Пластинчатые теплообменники с подушками оказывают давление на пластины, чтобы повысить эффективность теплопередачи по поверхности пластины. Некоторые из других доступных типов включают пластинчатые и рамные, пластинчатые и кожуховые и спиральные пластинчатые теплообменники.

Крупный план пластинчатого теплообменника.

Изображение предоставлено withGod/Shutterstock.com

Конденсаторы, испарители и бойлеры

Бойлеры, конденсаторы и испарители представляют собой теплообменники, в которых используется двухфазный механизм теплопередачи. Как упоминалось ранее, в двухфазных теплообменниках одна или несколько жидкостей претерпевают фазовый переход в процессе теплопередачи, либо из жидкости в газ, либо из газа в жидкость.

Конденсаторы представляют собой теплообменные устройства, в которых нагретый газ или пар охлаждаются до точки конденсации, превращая газ или пар в жидкость. С другой стороны, в испарителях и котлах процесс теплопередачи изменяет текучую среду из жидкой формы в газообразную или парообразную.

Другие варианты теплообменника

Теплообменники

используются в различных областях промышленности. Следовательно, имеется несколько вариантов теплообменников, каждый из которых подходит для требований и спецификаций конкретного применения. Помимо вариантов, упомянутых выше, доступны другие типы, включая теплообменники с воздушным охлаждением, теплообменники с вентиляторным охлаждением и теплообменники с адиабатическими колесами.

Рекомендации по выбору теплообменника

Несмотря на то, что существует широкий выбор теплообменников, пригодность каждого типа (и его конструкции) для передачи тепла между жидкостями зависит от технических характеристик и требований области применения. Эти факторы в значительной степени определяют оптимальную конструкцию желаемого теплообменника и влияют на соответствующие расчеты номинальных характеристик и размеров.

Некоторые из факторов, которые профессионалы отрасли должны учитывать при проектировании и выборе теплообменника, включают:

• Тип жидкости, поток жидкости и их свойства
• Желаемая тепловая мощность
• Ограничения по размеру
• Затраты

Тип жидкости, поток и свойства

Конкретный тип используемых жидкостей — например, воздух, вода, масло и т. д. — и их физические, химические и термические свойства — например, фаза, температура, кислотность или щелочность, давление и скорость потока и т. д. — помогают определить конфигурация потока и конструкция, наиболее подходящие для данного конкретного применения теплопередачи.

Например, если речь идет о агрессивных, высокотемпературных средах или жидкостях под высоким давлением, конструкция теплообменника должна выдерживать высокие нагрузки в течение всего процесса нагрева или охлаждения. Одним из способов выполнения этих требований является выбор конструкционных материалов, обладающих желаемыми свойствами: графитовые теплообменники обладают высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью, керамические теплообменники могут выдерживать температуры выше, чем температуры плавления многих широко используемых металлов, а пластиковые теплообменники обеспечивают недорогая альтернатива, сохраняющая умеренную степень коррозионной стойкости и теплопроводности.

Керамический теплообменник

Изображение предоставлено CG Thermal

Другой метод заключается в выборе конструкции, подходящей для свойств жидкости: пластинчатые теплообменники способны работать с жидкостями от низкого до среднего давления, но с более высокими скоростями потока, чем другие типы теплообменников, а двухфазные теплообменники необходимы при работе с жидкостями, которые требуют фазового перехода на протяжении всего процесса теплопередачи. Другие свойства жидкости и потока жидкости, которые специалисты отрасли могут учитывать при выборе теплообменника, включают вязкость жидкости, характеристики загрязнения, содержание твердых частиц и наличие водорастворимых соединений.

Тепловые выходы

Тепловая мощность теплообменника относится к количеству тепла, передаваемого между жидкостями, и соответствующему изменению температуры в конце процесса теплопередачи. Перенос тепла внутри теплообменника приводит к изменению температуры обеих жидкостей, понижая температуру одной жидкости по мере отвода тепла и повышая температуру другой жидкости по мере добавления тепла. Желаемая тепловая мощность и скорость теплопередачи помогают определить оптимальный тип и конструкцию теплообменника, поскольку некоторые конструкции теплообменников обеспечивают более высокую скорость теплопередачи и могут выдерживать более высокие температуры, чем другие конструкции, хотя и по более высокой цене.

Ограничения по размеру

После выбора оптимального типа и конструкции теплообменника распространенной ошибкой является покупка слишком большого для данного физического пространства. Часто более разумно приобрести теплообменное устройство такого размера, который оставляет место для дальнейшего расширения или добавления, а не выбирать устройство, которое полностью охватывает пространство. Для приложений с ограниченным пространством, например, в самолетах или автомобилях, компактные теплообменники обеспечивают высокую эффективность теплопередачи в более компактных и легких решениях. Имеются несколько вариантов этих теплообменных устройств, характеризующихся высоким отношением площади поверхности теплопередачи к объему, включая компактные пластинчатые теплообменники. Как правило, эти устройства имеют отношение ≥700 m ² / m ³ для систем преобразования газа в газ и ≥400 m ² / m ³ для процессов преобразования жидкости в газ.

Затраты

В стоимость теплообменника входит не только начальная цена оборудования, но и затраты на установку, эксплуатацию и техническое обслуживание в течение всего срока службы устройства. Несмотря на то, что необходимо выбрать теплообменник, который эффективно соответствует требованиям приложений, также важно помнить об общих затратах на выбранный теплообменник, чтобы лучше определить, стоит ли устройство инвестиций. Например, изначально дорогой, но более прочный теплообменник может привести к снижению затрат на техническое обслуживание и, следовательно, к меньшим общим затратам в течение нескольких лет, в то время как более дешевый теплообменник может быть изначально менее дорогим, но требовать нескольких ремонтов и замен. в тот же период времени.

Оптимизация дизайна

Проектирование оптимального теплообменника для данного применения (с конкретными спецификациями и требованиями, как указано выше) включает определение изменения температуры жидкостей, коэффициента теплопередачи и конструкции теплообменника и соотнесение их со скоростью теплопередачи. . Две основные проблемы, возникающие при достижении этой цели, — расчет номинала и размера устройства.

Рейтинг относится к расчету тепловой эффективности (т. е. КПД) теплообменника данной конструкции и размера, включая скорость теплопередачи, количество тепла, передаваемого между жидкостями, и соответствующее изменение их температуры, а также общее падение давления на устройстве. Под определением размеров понимается расчет требуемых общих размеров теплообменника (т. е. площади поверхности, доступной для использования в процессе теплопередачи), включая длину, ширину, высоту, толщину, количество компонентов, геометрию компонентов и их расположение, и т. д., для приложения с заданными технологическими спецификациями и требованиями. Конструктивные характеристики теплообменника, например, конфигурация потока, материал, элементы конструкции и геометрия и т. д., влияют как на номинальные параметры, так и на расчеты размеров. В идеале, оптимальная конструкция теплообменника для применения находит баланс (с коэффициентами, оптимизированными в соответствии с указаниями проектировщика) между номиналом и размером, который удовлетворяет спецификациям и требованиям процесса при минимально необходимых затратах.

Применение теплообменников

Теплообменники — это устройства, используемые в промышленности как для нагрева, так и для охлаждения. Доступны несколько вариантов теплообменников, которые находят применение в различных отраслях промышленности, в том числе:

• Теплообменники ASME
• Автомобильные теплообменники (как правило, автомобильные радиаторы)
• Теплообменники пивоваренного завода
• Химические теплообменники
• Криогенные теплообменники
• Судовые теплообменники
• Теплообменники для производства электроэнергии
• Холодильные теплообменники

В приведенной ниже Таблице 1 указаны некоторые распространенные отрасли и области применения ранее упомянутых типов теплообменников.

Таблица 1 – Отрасли и области применения теплообменников по типу

Тип теплообменника	Общие отрасли промышленности и применения
Кожух и трубка	Переработка нефти Предварительный подогрев Масляное охлаждение Производство пара Рекуперация тепла продувки котла Системы улавливания паров Промышленные системы окраски
Двойная труба	Промышленные процессы охлаждения Требования к малой площади теплопередачи
Пластина	Криогенный Пищевая промышленность Химическая обработка Печи Водяное охлаждение с замкнутого контура на разомкнутый
Конденсаторы	Процессы дистилляции и очистки Электростанции Холодильное оборудование ОВКВ Химическая обработка
Испарители/котлы	Процессы дистилляции и очистки Паровозы Холодильное оборудование ОВКВ
С воздушным/вентиляторным охлаждением	Ограниченный доступ к охлаждающей воде Химические и нефтеперерабатывающие заводы Двигатели Электростанции
Адиабатическое колесо	Химическая и нефтехимическая переработка Нефтеперерабатывающие заводы Пищевая промышленность и пастеризация Производство электроэнергии Криогеника ОВКВ Аэрокосмическая отрасль
Компактный	Ограниченное пространство (например, самолеты и автомобили) Масляное охлаждение Автомобилестроение Криогеника Охлаждение электроники

Резюме

В этом руководстве представлены основные сведения о теплообменниках, доступных конструкциях и типах, их применении и соображениях по использованию. Дополнительную информацию о покупке теплообменников можно найти в Руководстве по покупке теплообменников Thomas.

Для получения дополнительной информации о сопутствующих продуктах обратитесь к другим руководствам и официальным документам Thomas или посетите Платформу поиска поставщиков Thomas, где вы найдете информацию о более чем 500 000 коммерческих и промышленных поставщиков.

Источники

1. https://www.engr.mun.ca/~yuri/Courses/MechanicalSystems/HeatExchangers.pdf
2. http://sky.kiau.ac.ir
3. http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node131.html
4. http://web.mit.edu/16.unified/www/FALL/thermodynamics/notes/node30.html
5. https://www.thomasnet.com/knowledge/white-paper/speciality-heat-exchangers-101
6. https://www.livescience.com/50833-zeroth-law-thermodynamics.html
7. https://courses.lumenlearning.com/introchem/chapter/the-three-laws-of-thermodynamics/
8. https://chem.libretexts.

   ---

   Learn more

   • 
     Мокрая градирня
   • 
     Унитаз безободковый с инсталляцией
   • 
     Как подключить счетчик электроэнергии однофазный и автоматы
   • 
     Акб для солнечных батарей
   • 
     Тосты генерала из особенностей национальной охоты
   • 
     Как закрепить зеркало в ванной на плитку
   • 
     Норматив по отоплению
   • 
     Узел ввода воды в квартиру
   • 
     Как открыть трап в душе
   • 
     Значок катализатора
   • 
     Полочки для бани из дерева