7. Теплоносії та їх фізичні властивості.

В промисловості в якості гарячих (нагріваючих) теплоносіїв найбільш розповсюджені:

• водяна пара;

• гаряча вода;

• газоподібні продукти згорання палива.

Водяна пара – теплоносій, який найбільш широко застосовується в діапазоні температур від 100 до 200⁰С, що відповідає тиску гріючої пари від 0,1 до 1,4 МПа.

Застосування водяної пари в якості гарячого теплоносія обумовлено цілою низкою переваг, основними з яких є: нетоксичні властивості, висока питома теплота конденсації, легкість транспортування по трубопроводам на дальні відстані. Використання пари при теплообміні забезпечує високі коефіцієнти тепловіддачі, рівномірність обігріву поверхні теплообміну, легкість регулювання температур за допомогою зміни тиску (певній температурі відповідає певний тиск насиченої водяної пари).

Нагрівання гарячою рідиною - гаряча рідина за допомогою насоса примусово циркулює по замкненому контуру між теплообмінником і котлом.

Нагрівання гарячими газами – це розповсюджений спосіб нагрівання в хімічній і нафтохімічній промисловості.

Топкові гази утворюються в результаті спалювання різних видів палива. При цьому в залежності від співвідношення витрат палива і повітря одержують продукти згорання з температурами в діапазоні від 500 до 1600⁰С.

Переваги використання топкових газів – їх можна застосовувати в широкому діапазоні температур, однак суттєвим недоліком є їх низька ефективність використання палива (30-40%), а також низькі коефіцієнти тепловіддачі, що потребує використання громіздких теплообмінних апаратів.

У ряді випадків застосовують гарячі масла, високотемпературні органічні і кремній-органічні з’єднання, розплавлені солі та рідкі метали.

В якості охолоджуючих агентів найбільш часто використовують воду, повітря і водні розчини деяких солей (NaCl, та ін.).

Охолодження водою - вигідно внаслідок її високої теплоємності і досить високих коефіцієнтів тепловіддачі, які досягаються при примусовому русі води в теплообміннику. Однак перед подачею води у теплообмінні апарати її необхідно попередньо очищувати. В основному для цього використовують технічну (обороню) воду, яку за допомогою насосів циркулюють по замкненому контуру.

Охолодження повітрям. Повітря є самим доступним з охолоджуючих теплоносіїв. Причому у зв’язку з дефіцитом води або її повною відсутністю, все частіше в теплообмінних апаратах заводів по переробці газів використовують атмосферне повітря.

Повітря зазвичай нагнітається вентилятором і подається ззовні на пучок оребрених теплообмінних труб, зібраних в секції. Швидкість руху повітря відносно труб складає 5 – 10 м/с.

Основними недоліками повітря як теплоносія є його низька теплоємність і невелика щільність, що потребує великих об’ємних витрат повітря, вимушує використовувати потужні вентилятори (підвищені витрати електроенергії).

Охолодження розчинами солей (розсолами) – використовують для охолодження до низьких температур і конденсації газів.

Зазвичай використовують розчини деяких солей (хлоридів натрію, кальцію і магнію), які не замерзають до температур мінус 20-30⁰С.

В промислових теплообмінних апаратах теплоносіями служать продукти і відходи виробництва, тобто перед скидом відходи віддають своє тепло в процес.

Відомо, що коефіцієнт тепловіддачі залежить від фізичних властивостей теплоносіїв. Тому вибір і визначення фізичних параметрів теплоносіїв в залежності від температури і тиску складають елемент розрахунку теплообмінної апаратури. Фізичні параметри теплоносіїв слід вибирати для робочих умов по таблицям дослідних даних. Якщо цих даних нема, то фізичні параметри можна визначити по відвідним співвідношенням.

Конструктивний розрахунок.

Конструктивний розрахунок теплообмінників складається у визначенні основних розмірів апаратів.

Вміст конструктивного розрахунку визначається особливостями вибраної конструкції апарата. У більшості випадків поверхню теплообміну компонують з труб – кожухотрубчасті теплообмінники.

Загальне число труб можна визначити з рівняння

N = F / π d_p l

де F – поверхня теплообміну,

d_p – розрахунковий діаметр труби;

l - довжина труби.

Число труб одного хода у трубному просторі розраховують при відомих витратах і швидкості руху теплоносія

n₀ = 4G_тр/ 3600 π d_вн² ρ ω_тр

де G_тр – витрати теплоносія в трубному просторі;

d_вн² – внутрішній діаметр трубок

ρ – щільність теплоносія

ω_тр – швидкість теплоносія.

Число ходів в трубному просторі

n = n_o z_тр

де z_тр – число ходів у трубному просторі.

При розміщенні трубок у трубних дошках необхідно забезпечити максимальну компактність, надійне кріплення трубок, зручність монтажу пучка труб. С точки зору зручності розмітки, найбільш доцільна схема розміщення трубок по вершинам правильних трикутників (шаховий пучок), або по вершинам квадратів (коридорний пучок); застосовують також схему розміщення трубок і по концентричним колам.

Для шахового пучка, який широко застосовують в промисловості як найбільш компактну схему, зв’язок між загальною кількістю трубок n, числом труб на діагоналі b і на стороні а найбільшого шестикутника, виражається наступними співвідношеннями:

n = 3a (a – 1) + 1

b = 2a - 1.

Відстань між вісями труб, або шаг t, залежать від зовнішнього діаметра d_н. Частіше за все

t = (1,2 – 1,4) d_н.

Загальне число труб n повинно бути таким, щоб значения а, b і n₀ були цілими числами. Це досягається розрахунком по методу послідовних наближень і відповідним вибором діаметра, довжини трубок, швидкості руху теплоносія в трубному просторі.

Число ходів z_тр рекомендується приймати рівним 1, 2, 3, 4, 6, 12.

Внутрішній діаметр корпуса

Внутрішній діаметр корпуса теплообмінника D залежить від діаметра і шагу труб, і схеми їх розміщення в пучці

D₀ = t (b – 1) + 4 d_н.

Одержане по цій формулі значення округлюють до найближчого стандартного значення.

Число ходів у міжтрубному просторі

Міжтрубний простір розподіляють поперечними перегородками на ряд ходів для забезпечення вибраної (при розрахунку а) швидкості робочого середовища. При цьому число ходів z визначають виходячи з площі живого перетину міжтрубного простору, витрат теплоносія і його швидкості в самому вузькому перетині:

z = f_м.т. / f_o

де f_м.т. – площа живого перетину міжтрубного простору;

f_о. – площа живого перетину одного хода міжтрубного простору.

Якщо в міжтрубний простір поступає пара, яка конденсується, то встановлювати перегородки не має сенсу.

Діаметри патрубків

Діаметр патрубка залежить від витрат та швидкості теплоносія

(π d²_п / 4) = G / (3600 ρ w_п)

тоді

d_п = 0,0188

де G – витрати теплоносія, кг/г;

ρ - щільність теплоносія при робочій температурі, кг/м³;

w_п – швидкість теплоносія у патрубку, м/с.

Значення діаметра патрубка, підрахованого по вказаній формулі, обов’язково округлюють до найближчого стандартного розміру.

Швидкості теплоносія в патрубках зазвичай приймають дещо більшими, ніж в апараті (особливо для газів).