2. Теплообмінні апарати. Класифікація. Основи розрахунку їх

Теплообмінником називають апарат, в якому здійснюється теплообмін між двома або декількома теплоносіями, або між теплоносіями і твердими тілами (стінкою, насадкою). В окремому випадку роль теплоносіїв та твердих тіл, які беруть участь у теплообміні, може виконувати і середовище, що оточує апарат.

Теплообмінники можна класифікувати за принципом дії, призначенням, способом організації руху теплоносіїв та іншими ознаками.

Змішувальні теплообмінники. У теплообмінниках теплопередача відбувається при безпосередньому змішуванні теплоносіїв. Апарати такого типу застосовуються для нагрівання або охолодження води в потоці повітря або газу. Для поліпшення контакту між газом і рідиною остання виливається на спеціальний насадок, розбризкується і, стікаючи па насадку, охоло­джується і частково випаровується при дотиканні з повітрям, що рухається в насадку назустріч воді. До теплообмінних апаратів змі­шувального типу належать скрубери, баштові охолодники (градірні), деаератори тощо.

Ці апарати прості, компактні і використовуються в тому випадку, якщо не потрібен подальший поділ теплоносіїв (наприклад, нагрів води водяною парою або гарячою водою). Так, у системі водяного опалення будинків гарячу воду з котельні або від ТЕЦ змішують з охолодженою зворотною водою, що повертається від споживача.

Рекуперативні теплообмінники. У рекуперативних апаратах передача теплоти від одного теплоносія до іншого відбувається через роздільну́ стінку (наприклад, стінку труби).

Можливі різні схеми руху теплоносіїв:

прямоточна (теплоносії рухаються уздовж поверхні нагріву в одному напрямі);

протиточна (теплоносії рухаються в протилежних напрямах);

складна (наприклад, перехресна течія).

Найпростішим рекуперативним теплообмінником є теплообмінник типу "труба в трубі". Поверхнею теплообміну в ньому є бічна поверхня внутрішньої труби. Перевага апарата — простота конструкції, недолік - громіздкість при великих поверхнях теплообміну, тому апарат застосовують при невеликих поверхнях теплообміну.

Рис. 51 Схеми рекуперативного (а) і регенеративного (б) теплообмінних апаратів

Подальшим розвитком теплообмінника "труба в трубі" є кожухотрубний теплообмінник, що також належить до групи рекуперативних. У зовнішню трубу (кожух) поміщена вже не одна труба, а пучок труб малого діаметра, кінці яких герметично (за допомогою зварювання або вальцювання) закріплені в трубних ґратах (дошках). Трубні ґрати приварені до корпуса апарата і до них через ущільнювальні прокладки за допомогою болтового з'єднання приєднані кришки. Теплообмінник має штуцера для входу і виходу теплоносіїв, один з яких рухається по міжтрубному простору, а інший - по трубах. Перевага апарата: компактність, можливість розвивати велиш поверхні теплообміну в одному апараті, зручність в експлуатації, технологічність у виготовленні. Недолік: ускладнене очищення міжтрубного простору. Кожухотрубний теплообмінник - найбільш розповсюджений тип теплообмінного апарата.

52

В останні роки широке застосування одержали пластинчасті рекуперативні теплообмінники, що відрізняються компактністю, низьким гідравлічним опором і зручністю очищення поверхонь теплообміну. Питома поверхня теплообміну пластинчастих теплообмінників сягає 1500 m²/m³. Розташовані паралельно одна до одної пластини утворюють систему хвилястих каналів шириною 3-6 мм, по яких по обидва боки кожної пластини рухаються теплоносії. Гофрування пластин створює інтенсивну турбулізацію потоків, що забезпечує високі коефіцієнти теплопередачі [до 3800 Вт(м² К)].

Регенеративні теплообмінники. У цих теплообмінниках гарячий і холодний теплоносії по черзі обмивають ту саму теплообмінну поверхню. У період контакту з гарячим теплоносієм відбувається розігрів термоакумулюючої насадки, яка потім у період контакту з холодним теплоносієм віддає йому акумульовану теплоту.

Теплообмінники з проміжним теплоносієм. У цього виду теплообмінників гарячий теплоносій віддає теплоту деякому проміжному теплоносієві (рідині або твердому зернистому матеріалові), а гой, у свою чергу, — холодному теплоносієві. Цей спосіб теплообміну використовується в тому випадку, коли недоцільно транспортувати гарячий теплоносій на великі відстані або коли неприпустимий безпосередній контакт гарячого і холодного теплоносіїв.

Теплообмінники з внутрішніми джерелами теплоти. У цих теплообмінниках нагрів холодного теплоносія здійснюється не контактом з гарячим теплоносієм, а за допомогою тепловиділення у самому апараті – за рахунок дії електронагрівача або генератора струмів високої чи надвисокої частоти. Особливість теплообмінників з внутрішнім тепловиділенням полягає в тому, що вони мають не два, як звичайно, а тільки один теплоносій, який забирає тепло, утворене в самому апараті. До апаратів цього типу належать ядерні реактори, електронагрівники та інші установки, в яких робочий процес пов'язаний з виділенням тепла.

Характер зміни температур теплоносіїв у прямоточних і протитечійних апаратах показано в нижніх частинах рис.53, а і б.

Якщо знехтувати втратами тепла, потужність теплового потоку Q, що перейшов від трійного до теплоносія, що нагрівається, дорівнюватиме:

де M₁ і М₂ — секундні маси теплоносіїв, кг/с;

С_Р1 і C_q2 — середні масові ізобарні теплоємності, Дж/кг • К.

53

Р

53

івняння називається рівнянням теплового балансу. Крім цього рівняння, для розрахунку теплообмінних апаратів користуються ще рівнянням теплопередачі:

(14.12)

де Δt — середня різниця температур. -

Як видно з графіків (рис.53, а, б), величина Δt не залишається сталою під час руху теплоносіїв вздовж апарата, тобто від входу до виходу. Теоретичні розрахунки показують, що середню різницю температур потрібно визначати як середньологарифмічну за такою формулою.

Якщо Δt_вх Δt_вих різняться мало, середньологарифмічну різницю температур замінюють середньоарифметичною, тобто

(14.14)

Якщо відношення змінюється в межах від 0,5 до 2, заміна

дає похибку, меншу 4%.

Розрахунок теплообмінних апаратів зводиться до обчислення потужності теплового потоку Q з рівняння теплового балансу за формулою

Слід зазначити, що в теплотехнічному відношенні протитечійні апарати вигідніші від прямоточних апаратів, що можна довести так:

• у протитечійному теплообміннику сильніше, ніж у прямоточному, нагрівається теплоносій, що нагрівається, і більше охолоджується грійний теплоносій;

• у протитечійному апараті при однакових температурах теплоносіїв на вході й виході середня різниця температур Δt більша, ніж у прямоточному. Однак ці переваги протитечії стають малопомітними, якщо умовні еквіваленти теплоносіїв W₁ = M₁c_Pl і W₂= М₂с_р2, дуже різняться між собою, а зміни температур обох теплоносіїв в апараті малі.

На відміну від теплообмінників, де потрібно забезпечувати пере­дачу тепла без значних втрат від грійного тіла до тіла, що нагрівається, в ряді випадків, навпаки, треба усувати теплопередачу від теплоносія в навколишнє середовище. Для цього, наприклад, трубо­проводи, по яких рухається теплоносій, покривають шаром теплової ізоляції певної товщини. Шаром теплоізоляційного матеріалу покривають паропроводи й основні трубопроводи теплових електростанцій, щоб пара на шляху від котельної до машинного залу надмірно не охолоджувалася.

Як теплоізоляційні матеріали використовують речовини, що мають низький коефіцієнт теплопровідності: азбест, мінеральну шерсть, коркову масу, кізельгур (інфузорна земля), діатоміт, тирсу, повсть, торфові плити тощо.