1. Літературний огляд

1. Теплообмінні апарати (ТОА)

Теплообмінні апарати — пристрої, в яких здійснюється теплообмін між двома або декількома теплоносіями або між теплоносіями і твердими тілами (стінкою, насадкою). Використовуються у багатьох галузях промисловості. За іншим визначенням, теплообмінний апарат — пристрій для передавання теплоти від одного робочого середовища до другого.

2. Призначення ТОА

Процеси теплообміну щільно використовуються в хімічній, енергетичній, металургійній, харчовій та інших галузях промисловості. У теплообмінних апаратах теплопередача від одного середовища до іншого через розділяє їх стінку обумовлена низкою факторів і є складним процесом, який прийнято поділяти на три елементарних види теплообміну: теплопровідність, конвекцію і теплове випромінювання. На практиці ці явища не відособлені, знаходяться в якомусь поєднанні і протікають одночасно. Для теплообмінників найбільше значення має конвективний теплообмін або тепловіддача, що здійснюється при сукупному і одночасній дії теплопровідності і конвекції.

3. Види ТОА

За способом передачі теплоти теплообмінні апарати поділяють на поверхневі і змішувальні. У поверхневих апаратах робочі середовища обмінюються теплом через стінки з теплопровідного матеріалу, а в змішувальних апаратах теплота передається при безпосередньому перемішуванні робочих середовищ.

Змішувальні теплообмінники по конструкції простіше поверхневих: теплота в них використовується повніше, але вони придатні лише в тих випадках, коли за технологічними умовами виробництва допустиме змішення робочих середовищ.

Поверхневі теплообмінні апарати, в свою чергу, поділяються на рекуперативні і регенеративні. У рекуперативних апаратах теплообмін між різними теплоносіями відбувається через розділові стінки. При цьому тепловий потік в кожній точці стінки зберігає один і той же напрямок. У регенеративних теплообмінниках теплоносії поперемінно стикаються з однією і тією ж поверхнею нагріву. При цьому напрямок теплового потоку в кожній точці стінки періодично змінюється. Розглянемо рекуперативні поверхневі теплообмінники безперервної дії, які найбільш поширені в промисловості а саме: кожухотрубні, секційні, "труба в трубі", виті, занурювальні, градирні, ребристі, спіральні та графинові[1].

ТОА "труба в трубі"

Рисунок 1.1. Теплообмінник "труба в трубі"

Теплообмінники цього типу складаються з ряду послідовно з'єднаних ланок. Для зручності чищення і заміни внутрішні труби звичайно з'єднують між собою «калачами» або «колінами». Теплообмінники, що мають значну поверхню нагріву, складаються з ряду секцій, паралельно з'єднаних колекторами.

Якщо одним із теплоносіїв є насичена пара, то його, як правило, направляють у між трубний (кільцевий) простір. Такі теплообмінники часто застосовують як рідинні або газорідинні. Підбором діаметрів внутрішньої і зовнішньої труб можна забезпечити обом робочим тілам, що беруть участь в теплообміні, необхідну швидкість для досягнення високої інтенсивності теплообміну.

Переваги: здатність витримувати великі навантаження при нагріванні чи охолодженні середовищ при високому тиску, високий коефіцієнт тепловіддачі, простота виготовлення, монтажу та обслуговування.

Недоліки: громіздкість, висока вартість внаслідок великої витрати металу на зовнішні труби, що не беруть участі в теплообміні, складність очищення кільцевого простору[1].

1.4.Дослідження теплообміну

Теплопередача або теплообмін - вчення про самовільні необоротні процеси розповсюдження теплоти в просторі. Під процесом розповсюдження теплоти розуміється обмін внутрішньою енергією між окремими елементами, областями середовища. Перенесення теплоти здійснюється трьома основними способами: теплопровідністю, конвекцією та тепловим випромінюванням.

Теплопровідність являє собою молекулярний перенесення теплоти в тілах (або між ними), обумовлений змінною температурою в розглянутому просторі.

Конвекція можлива тільки в текучому середовищі. Під конвекцією теплоти розуміють процес її перенесення при переміщенні об'ємів рідини або газу (текучого середовища) в просторі з області з однією температурою в область з іншою. При цьому перенесення теплоти нерозривно пов'язано з перенесенням самого середовища.

Теплове випромінювання - процес поширення теплоти за допомогою електромагнітних хвиль, обумовлений тільки температурою і оптичними властивостями випромінюючого тіла; при цьому внутрішня енергія тіла (середовища) переходить в енергію випромінювання. Процес перетворювання внутрішньої енергії речовини в енергію випромінювання, перенесення, одержання і його поглинання речовиною називається теплообміном випромінюванням. У природі й техніці елементарні процеси поширення теплоти - теплопровідність, конвекція і теплове випромінювання - дуже часто відбуваються спільно.

Теплопровідність в чистому вигляді здебільшого має місце лише у твердих тілах.

Конвекція теплоти завжди супроводжується теплопровідністю, сумісно процес перенесення теплоти конвекцією і теплопровідністю називається конвективним теплообміном.

В інженерних розрахунках часто визначають конвективний теплообмін між потоками рідини чи газу і поверхнею твердого тіла; цей процес конвективного теплообміну називають конвективною тепловіддачею чи тепловіддачею.

Процеси теплопровідності і конвективного теплообміну можуть супроводжуватися теплообміном випромінюванням. Теплообмін, обумовлений спільним перенесенням теплоти випромінюванням і теплопровідністю, і викликані радіаційно-кондуктивним теплообміном. Іноді радіаціойно-кондуктивний та радіаційно-конвективний переноси теплоти називають складним теплообміном.

У техніці і в побуті часто відбуваються процеси теплообміну меж різними рідинами, розділеними твердою стінкою. Процес передачі теплоти від гарячої рідини до холодної через розділяючу їх стінку називається теплопередачею. Теплопередача здійснюється різними елементарними процесами теплопереносу. Парогенеруючі труби котельного агрегату, наприклад, отримують теплоту від продуктів згоряння палива в результаті радіаційно-конвективного теплообміну. Через шар зовнішнього забруднення, металеву стінку і шар накипу теплота передається теплопровідністю. Від внутрішньої поверхні труби до омиваючої її рідини теплота переноситься конвективним теплообміном (тепловіддачею).

Процеси теплообміну можуть відбуватися в різних середовищах: чистих речовинах і різних сумішах, при зміні і без агрегатного стану робочих середовищ й т. д. В залежності від цього теплообмін протікає по-особливому і описується різними рівняннями.

Багато процесів переносу теплоти супроводжуються перенесенням енергії. Наприклад, при випаровуванні води в повітря, крім теплообміну, має місце і перенесення утвореної пари в пароповітряній суміші. У загальному випадку перенесення пара здійснюється як молекулярним, так і конвективним шляхом. Спільний молекулярний і конвективний переніс маси називають конвективним масообміном. При наявності масообміну процес теплообміну ускладнюється.

У загальному випадку перенесення теплоти в суміші різних речовин може викликатися неоднорідним розподілом інших фізичних величин, крім температури. Наприклад, різниця концентрації компонентів суміші призводить до додаткового молекулярного переносу теплоти (дифузійний термоефект). Зазвичай перенесення теплоти, обумовлений подібними ефектами, порівняно невеликий і, як правило, ним можна знехтувати.

При теоретичному дослідженні теплообміну доводиться вводити деякі модельні уявлення про середовище, в якій відбуваються досліджувані процеси.

Розрізняють однорідні і неоднорідні суцільні середовища. У першому фізичні властивості в різних точках однакові при однакових температурі і тиску, в неоднорідних середовищах - різні. Розрізняють також ізотропні і анізотропні суцільні середовища. У будь-якій точці ізотропного середовища фізичні властивості її не залежать від обраного напрямку, навпаки, в анізотропному середовищі деякі властивості в даній точці можуть бути функцією напряму. Найбільш вивчений і часто зустрічається на практиці теплообмін у ізотропних середовищах.

Суцільне середовище може бути однофазне і багатофазне. В однофазному середовищі, що складається з чистої речовини або з суміші речовин, властивості змінюються в просторі безперервно. У багатофазному середовищі, що складається з ряду однофазних частин, на межах розділу властивості змінюються стрибками. Теплообмін в однофазних і багатофазних системах протікає по-різному.

Вивчення як простих, так і більш складних процесів переносу теплоти в різних середовищах і є завданням курсу теплопередачі.

4. Експериментальна установка

У деяких галузях техніки потреба відведення теплових потоків порядку 20-25 МВт/м2 в охолоджувальних пристроях, виконаних у вигляді кільцевих каналів, ставить завдання дослідження критичної щільності теплового потоку в області високих швидкостей і низьких тисків.

Опубліковані роботи [1, 2, 4-6] з дослідження криз теплообміну в кільцевих каналах проводилися в основному при швидкостях охолоджуючої води менше 10 м/с. Дані про вплив визначальних параметрів, отримані в цих роботах, суперечливі. У зв'язку з цим виникла необхідність у додатковому вивченні впливу деяких факторів на критичну щільність теплового потоку, особливо при швидкостях течії води понад 10 м/с.

У роботі вивчалися залежності величини критичного теплового потоку від швидкості, недогріву, тиску, геометричних розмірів кільцевого каналу і досвідченого елемента при обігріві внутрішньої поверхні.

Дослідна установка являла собою замкнутий циркуляційний контур, виконаний з труб нержавіючої сталі. Циркуляція води в контурі здійснювалася насосом.

Витрата вимірювалася гострою діафрагмою і підключеним до неї дифманометра ДТ-50. Підігрів води в контурі виконується за допомогою електропідігрівача.

Характеристики дослідного елементу (ДЕ):

• форма та розміри поперечного перерізу: кільцевий канал , ;

• спосіб обігріву: електричний обігрів;

• розрахункова максимальна електрична потужність, підведена до ДЕ: 70 кВт;

• довжина ДЕ та розподіл щільності теплового потоку (ЩТП) по довжині;

• розподіл ЩТПпо периметру ДЕ: q = const;

• орієнтація ДЕ та напрям руху теплоносія: вертикальне, знизу вгору. Параметри теплоносія на вході ДЕ, при яких моделюється процес:

• теплоносій - хімічно знесолена та обезгажена вода;

• тиск 0,8 МПа, масова швидкість 20000 кг/(м²-с), температура

теплоносія 80