Геликоидный теплообменник

Геликоидный теплообменник — класс теплообменных аппаратов, отличительной особенностью которых является большая скорость прохода среды. По принципу действия они делятся на три группы: скоростные теплообменники труба в трубе, скоростные кожухотрубные теплообменники, и интенсифицированные теплообменники. В профессиональной среде также используется название скоростной теплообменник. Все геликоидные теплообменные аппараты являются по сути своей рекуператорами, так как теплота передаётся от одного теплоносителя к другому непрерывно через стенку.

Представляет собой простейший теплообменный аппарат, зачастую собранный кустарным способом из подручных материалов (двух труб различных диаметров, вставленных друг в друга). Все теплообменники труба в трубе являются скоростными за счёт отсутствия преград и, как следствие, низкого гидравлического сопротивления^[1][2].

Принцип действия такого аппарата заключается в прохождении теплоносителя под большим давлением по внутренней трубе, в то время как нагреваемая среда проходит по внешней трубе^[2].

Этот тип теплообменников состоит из трёх частей: корпус (кожух), трубный пучок и перегородки. Трубный пучок приварен через трубные решетки к торцам кожуха. Основным отличием от обычных кожухотрубных аппаратов является наличие перегородок, которые увеличивают скорость теплоносителя^[3].

Это теплообменник, представляющий собой закреплённый в спиральношовном корпусе пучок профилированных трубок из коррозионностойкого материала (нержавеющей стали или титана), через стенки которых осуществляется теплопередача от потока греющей среды к потоку нагреваемой. Трубки имеют геликоидный профиль. Основное отличие теплообменников такой конструкции заключается именно в профилированной теплообменной поверхности трубок. Основы этой конструкции разрабатывались ещё во времена СССР^[4].

Принцип действия скоростных теплообменных аппаратов основан на явлении интенсификации теплообмена между движущимися потоками теплоносителей при их одновременном закручивании. Закручивание скоростных потоков приводит к изменению их гидравлического состояния, повышает кинетическую энергию движения, создаёт турбулизацию и дополнительное перемешивание слоёв внутри теплоносителей, что приводит к оптимальным значениям показателей теплопередачи. Вихревое движение потока сопровождается снижением гидравлических сопротивлений аппарата и эффектом самоочистки поверхностей нагрева от отложений^[5][6].

Закручивание потока среды, проходящей по трубному пространству, осуществляется посредством изменения профиля труб (геликоидная поверхность). Закручивание потока среды, проходящей по межтрубному пространству, осуществляется за счёт спиралевидного шва корпуса и нерегулярной компоновки труб трубного пучка^[7][8][9].

Помимо функции закручивания потоков, винтовые составляющие трубок и корпуса являются своеобразными рёбрами жёсткости конструкции. Возможность применения тонколистовой стали при изготовлении корпуса и трубок трубного пучка приводит к снижению веса аппарата. Такое решение является нетрадиционным в производстве стандартных теплообменных аппаратов, использующих толщину стенок для усиления прочностных свойств конструкций^[10].

За счёт облегчения и уплотнения трубного пучка в опорных элементах (трубных досках) из полимерных материалов в скоростных аппаратах достигается максимально возможная поверхность теплообмена.

Характеристики. Для изготовления корпуса и трубного пучка используются доступные коррозионностойкие материалы: нержавеющая сталь AISI 316 или титановые сплавы. Аппараты изготавливаются под индивидуальные параметры и режимы эксплуатации. По своим теплотехническим и конструктивным характеристикам аппараты этого типа являются эффективной заменой пластинчатых и кожухотрубных подогревателей. К недостаткам можно отнести большую чувствительность к среде — при неверно подобранных характеристиках существенно падает КПД^[11].