Обладнання для тепло – та масообмінних процесів

3.1 Теплообмінна апаратура

3.1.1 Кожухотрубні теплообмінники. Є багато хімічних процесів, які потребують нагрівання або охолоджування. Обидва середовища: яке нагрівається (охолоджується) і яким нагрівають (охолоджують),- називаються теплоносіями. Теплоносії приймають участь у процесах теплообміну. Теплообмін здійснюють або при безпосередньому контакті теплоносіїв, або, частіше, через перегородку.

Найбільш поширеним типом теплообмінної апаратурі є кожухотрубні теплообмінники.

У найзагальнішому вигляді кожухотрубний теплообмінник уявляє собою 2 трубні решітки із завалькованими або ввареними в них трубками. Трубні решітки поміщені в кожух і закриваються двома кришками.

Трубки із кришками становлять трубний простір (об’єм), а кожух з із зовнішніми стінками трубок – міжтрубний простір, які не сполучаються проміж собою. Теплоносій І рухається усередині труб, а другий (ІІ) – у між трубному просторі. Зазвичай теплоносії рухаються протитоком, назустріч один одному, але можуть бути організовані інші схеми: прямотоком, з перехресними потоками.

3.1.2 Класифікація кожухотрубних теплообмінників. По функціях, які виконуються:

- холодильники (Х). Теплообмін між теплоносіями проходить без змінення їхнього агрегатного стану;

- конденсатори (К). Для конденсації пари в міжтрубному просторі, а також для підігрівання рідин і газів за рахунок теплоти конденсації;

- випарники (В). Коли в трубному просторі кипить рідина, а в міжтрубному просторі може бути будь який теплоносій;

- теплообмінник (Т). Коли не оговорюється функція, яку виконує теплообмінник.

По способам руху теплоносіїв:

- одноходові, або прямоточні –теплоносії не змінюють напрямок руху;

- багатоходові – у залежності від кількості ходів теплоносіїв. Багатоходові теплообмінники мають значно більші значення коефіцієнту тепловіддачі та набагато меншу висоту при однаковій поверхні теплообміну. Взаємний рух теплоносіїв носить змішаний характер: протитоковий, прямоточний, з перехресними потоками.

Наприклад, на рисунку 3.1 зображений прямоточний теплообмінник, на 3.3 –двохходовий та чотирьохходовий по трубному простору.

По способам монтажу теплообмінники поділяють на горизонтальні (Г) та вертикальні (В). Вертикальні теплообмінники простіші в експлуатації й займають меншу площу. Горизонтальні теплообмінники виконують зазвичай багатоходовими .

Внаслідок значних перепадів температур теплоносіїв у конструкції виникають деформації, які можуть привести до механічних пошкоджень, наприклад, розгерметизації трубних решіток. По способам компенсації теплових деформацій розрізняють теплообмінники:

- з нерухомими решітками (Н). Теплові деформації незначні і не потребують компенсації (рис. 3.1);

- з лінзовим компенсатором (К). Застосовується при невеликому надмірному тиску (до 0,6 МПа) у між трубному просторі (рис. 3.4,а);

- із плаваючою головкою (П). Нижня трубна решітка є рухомою, що дозволяє усьому пучку труб вільно рухатися незалежно від корпусу апарата. (рис. 3.4, б);

- з U-подібними трубками (У). Тут самі труби виконують функцію компенсаторів температурних деформацій. Спрощується конструкція апарата, що має тільки одну трубну решітку. Легко очищується зовнішня сторона труб при вийманні усієї трубчатки з корпусу, але значно складніше очищати внутрішню поверхню труб (рис. 3.4, в).

Конструкційні особливості, призначення, розміри й поверхня теплообміну регламентуються державними стандартами.

У кожухотрубних теплообмінниках трубки мають діаметр 20 або 25 мм. Довжина трубок від 1 до 9 м. Загальна кількість трубок коливається від декількох десятків до декількох тисяч у залежності від конструкції теплообмінника та потрібної поверхні теплообміну.

Вибір матеріалів труб і корпусу залежить від характеристики теплоносіїв, умов експлуатації тощо. Так, для отримання гарячої води питної якості зазвичай приймають латунні трубки.

3.1.3 Інші типи теплообмінників. Двохтрубні теплообмінники. Крім кожухотрубних, широко використовуються двохтрубні теплообмінники, або теплообмінники «труба в трубі» (рис. 3.5), які за допомогою різних фігурних вставок можуть монтуватися в системи будь-якої складності. Один теплоносій рухається внутрішніми трубками, а другий –у кільцевому зазорі між зовнішньою й внутрішньою трубою. Внутрішні труби з’єднуються калачами, зовнішні – патрубками.

Двохтрубні теплообмінники ефективно працюють при невеликих витратах теплоносіїв, при високому тиску. Якщо необхідна велика поверхня теплообміну, ці апарати виготовляють із декількох паралельних секцій.

Разом із тим ці апарати більш громіздкі, ніж кожухотрубні, потребують більшої витрати металу на одиницю поверхні теплообміну.

Графітові блочні теплообмінники. Для роботи з агресивними середовищами використовують блочні графітові теплообмінники (рис. 3.6) з висвердленими отворами в різних площинах.

Монтуючи такі блоки, можна набрати потрібну поверхню теплообміну. Блоки постачаються разом із чавунними кришками, які для захисту від корозії гумовані із внутрішньої сторони. Проміж собою блоки ущільнюються гумовими або тефлоновими прокладками.

Просочений феноло-формальдегідними смолами графіт є хімічно стійким матеріалом у досить агресивних середовищах (наприклад, у гарячій соляній, розбавленій сірчаній та фосфорній кислотах тощо), а також має високий коефіцієнт теплопровідності.

3.1.4 Принципи вибору теплообмінної апаратури

Основні визначення.

Теплообмін –перенос енергії у вигляді тепла від одного тіла до другого.

Теплоносії – тіла, що приймають участь у процесі теплообміну.

Теплопровідність – перенос тепла внаслідок теплового руху мікрочасточок. Основний вид розповсюдження тепла у твердих тілах.

Конвекція - перенос тепла внаслідок руху та перемішування макроскопічних об’ємів газів або рідин.

Теплове випромінювання – поширення тепла електромагнітними коливаннями. Обумовлене тепловим рухом атомів та молекул тіла, що випромінює.

Тепловіддача – перенос тепла від стінки до теплоносія чи навпаки.

Теплопередача - перенос тепла від більш нагрітого теплоносія до холодного через стінку.

Визначення потрібної кількості тепла. Якщо знехтувати втратами тепла, то за законом збереження енергії

(3.1)

де Q- кількість тепла; G- масова витрата теплоносія; I - ентальпія теплоносія на початку та у кінці процесу.

Якщо при теплообміні не змінюється агрегатний стан теплоносія, то

(3.2)

де с – питома теплоємність, дж/(кг*град); ∆t – різниця температур теплоносія на початку і у кінці процесу нагрівання або охолодження .

Якщо при теплообміні змінюється агрегатний стан теплоносія (конденсація пари, кипіння рідини, плавлення твердого тіла, замерзання рідини), то кількість тепла можна визначити за формулою

(3.3)

де r – теплота зміни агрегатного стану.

Визначення необхідної поверхні теплообміну. Поверхню теплообміну визначають за основним рівнянням теплопередачі: кількість тепла пропорційна поверхні теплообміну F й температурному напору .

(3.4)

Температурний напір - спонукальна сила процесу теплообміну, визначається як середня логарифмічна початкової та кінцевої температур обох теплоносіїв.

(3.5)

де - відповідно більша і менша різниця температур теплоносіїв.

Якщо , то температурний напір визначають як середню арифметичну.

Температурний напір залежить від напрямку руху теплоносіїв (рис. 3.7).

У разі організації потоків прямотоком кінцева температура більш холодного теплоносія не може бути більшою за кінцеву температуру більш нагрітого теплоносія

Організація потоків протитоком призводить до деякого зменшення температурного напору і, відповідно, до збільшення поверхні теплообміну. Однак при цьому значно зменшується витрата одного з теплоносіїв, що робить використання протитоку економічно доцільним.

Коефіцієнт теплопередачі – кількість тепла, що переходить від більш нагрітого до менш нагрітого через поверхню 1 м² при температурному напорі 1 градус за 1 секунду.

(3.6)

де α₁, α₂- коефіцієнти тепловіддачі, ват/(м²*град) – кількість тепла, що передається від 1м² стінки до теплоносія при температурному напорі 1 градус (і навпаки) ;

λ – коефіцієнт теплопровідності матеріалу труб, ват/(м*град);

δ - товщина стінки труби;

r – тепловий опір забруднень.

Визначення коефіцієнту теплопередачі детально розглядається у спеціальних курсах теплотехніки. Для практичного використання у першому наближенні можна приймати експериментально визначені значення К для різного типу теплоносіїв та організації потоків.

Таблиця 3.1 – Орієнтовні значення коефіцієнта теплопередачі

Вид теплообміну і середовище	К, Вт/(м2*град) при течії
	вимушеній	вільній
Від водяної пари, що конденсується, до води	500…1000	300…800
Від пари, що конденсується, до органічної рідини	100…300	60…80
Від рідини до води	200…400	100…300
Від води до органічної рідини	120…300	30…60
Від пари органічної рідини, що конденсується, до води	350…800	230…450

Після визначення поверхні теплообміну приймають по каталогах один або декілька нормалізованих теплообмінників із поверхнею теплообміну не меншою ніж визначена розрахунком.