5.5. Теплообмінні апарати.

Теплообмінним апаратом називають пристрій призначений для нагрівання та охолодження теплоносія. Найчастіше нагрівання одного теплоносія здійснюється за рахунок охолодження іншого. Виключення становлять теплообмінники із внутрішнім тепловиділенням (реактори, електронагрівачі).

Існують такі види теплообмінних апаратів:

- рекуперативні (через стінку);

регенеративні (почергово теплоакумулююча поверхня омивається холодним і гарячим теплоносієм);

- змішувальні;

- з проміжним теплоносієм. Від гріючого середовища до нагріваючого переноситься потоком дрібнодисперсного матеріалу або рідини.

- з внутрішнім тепловиділенням (реактор, електронагрівач).

В рекуперативних теплообмінниках теплота від одного теплоносія до іншого передається через розділяючу їх стінку, виготовлену із матеріалу, що має високий коефіцієнт теплопровідності (мідь, латунь, сплави алюмінію), Найпоширеніший тип таких теплообмінників — це трубчатий (рис.5,15), в яких один теплоносій рухається в трубах, а інший — в міжтрубному просторі, тобто теплоносії розділені між собою стінкою.

Рис. 5.15. Схема кожухоподібного рекуперативного теплообмінника.

Вони бувають прямотечійні і протитечійні (рис. 5.16) і з перехресним потоком теплоносіїв (рис.5.17).Рекуперативні теплообмінники найпоширеніші в енергетиці і побуті (котли, батареї водяного опалення і т.п.).

Рис.5.16. Схеми руху теплоносіїв в теплообмінниках: а) протитечія; б) прямотечія.

Рис. 5.17. Схеми теплообмінників з перехресним потоком теплоносіїв а) двохходовш повітряпідігрівач; б) багатоходовий змійовиковий водопідігрівач.

Регенеративний теплообмінник і теплообмінник з проміжним теплоносієм практично працюють за одним і тим же принципом. Суть його полягає в тому, що теплота від одного теплоносія до іншого переходить за допомогою третього тіла - допоміжного матеріалу. Проміжний теплоносій нагрівається в потоці гарячого теплоносія, а потім віддає акумульоване тепло холодному теплоносію. Для цього необхідно періодично перемикати потоки теплоносіїв для підводу їх до проміжного. В регенеративних теплообмінниках проміжними елементами служать масивні матеріали: цегла, засипки, листки металу. Такі теплообмінники використовують для високотемпературного підігріву газу , а інколи їх застосовують

для охолодження запилених газів, які швидко можуть забивати рекуператори (рис. 5.18).

Рис.5,18. Регенеративний підігрівай повітря періодичної дії з переключенням потоків, які рухаються через насадку,

В теплообмінниках з проміжним теплоносієм теплота від гріючого середовища до нагріваючого здійснюється потоком дрібнодисперсного

матеріалу чи рідини. Прикладом цього може бути герметична труба, яка частково заповнена рідиною, а частково паоою (оис.5.19).

Рис.5.19. Схема роботи теплової труби

На гарячому кінці цієї труби за рахунок підводу теплоти випаровується рідина, на холодному конденсується пара, віддаючи теплоту, що виділилася. Конденсат повертається в зону випарування або самотьоком, коли холодний кінець розміщений вище гарячого, або за рахунок використання спеціальних фитіїей, по якій рідина рухається за рахунок капілярних сил в будь-якому напрямку. Практично теплові труби з фитілями використовують в космосі, а для охолодження механічних, електричних і радіотехнічних пристроїв в земних умовах використовують природню конвекцію.

Найпростішими є змішувальні теплообмінники, в яких змішуються теплоносії і не потребують подальшого розподілу, наприклад підігрів води водяною парою (рис. 5.20).

Рис.5.20. Використання струминного змішувального теплообмінника для підігріву води парою при термічній деаерації

Для підтримання заданих температур в системі гарячого водозабєзпечення і _е радіаторах водяного опалення

змішують пароводяну суміш, яка поступає із котельні чи ТЕЦ з водою яка повертається від споживачів тепла.

Для збільшення поверхні контакту теплоносіїв їх перемішують, рідини розбризкують, тверді матеріали використовують в подрібненому вигляді.

Розглянемо елементарний розрахунок найпростішого рекуперативного теплообмінника. Загальним рівнянням при розрахунку теплообмінника є рівняння теплового балансу:

Тепловий потік одержаний в теплообміннику при охолодженні

гарячого теплоносія від дорівнює різниці ентальпії на вході і

виході теплообмінника

ое — масова витрата теплоносія;- відповідно питома

теплоємність теплоносія при температурах на вході і виході.

do 10% витрачається в оточуючому середовищі, а основна частина _якии враховує непродуктивні втрати. -

тепловий потік, що одержує холодний теплоносій..

Таким чином рівняння теплового балансу рекуперативного теплообмінника має вигляд:

Тонкі стінки трубок рекуперативних теплообмінників завжди вважаються плоскими, тому поверхня S необхідна для передачі теплового потоку від гарячого до холодного теплоносія визначається із наближеного рівняння:

Оскільки в теплообмінних апаратах не постійні, тому

використовують середню інтегральні їх значення по довжині теплообмінника.

Визначимо значення середнього перепаду для простого

випадку, коли температура гріючого носія не змінюється.

Середньоарифметичним значенням можна користуватися лише тоді, коли:

(5.54)

де - менший і більший температурний напір, тобто

перепад температур між теплоносіями на виході і вході в теплообмінник.

В іншому випадку використовують середньологарифмічне значення перепаду температур теплоносіїв.

Нехай чепез дифференціально малу площу передається тепловий потік за рахунок якого t нагріваємого теплоносія зміниться на

а різниця температур на d(At), причому тоді

(5.55)

Прирівнюємо формули (5.53) і (5.55):

Розділимо змінніі проінтегруємо від 0 до S і від до

Розрізняють два види розрахунків теплообмінників:

а) конструктивний, коли відомі і визначають поверхню теплообміну S;

б) перевірочний, коли за відомими S, Q перевіряють параметри теплоносіїв.