5 Теплообмінні апарати.

5.1 Призначення класифікація і область використання теплообмінних апаратів

Теплообмінні апарати ТА – пристрої для передачі теплоти від одного середовища більш нагрітого до іншого менш нагрітого. Область використання ТА обширна, використовуються вони в енергетиці (парогенератори, пароперегрівачі, конденсатори), в промисловості (доменні і мартенівські печі) в нафтовій і нафтохімічній промисловості. Без перебільшення можна відмітити, що немає ніодної галузі промисловості де не використовуються теплообмінні апарати. В багатьох галузях народного господарства на ТА припадає 50 % вартості всього обладнання. На сьогоднішній день ще не вироблена досконала класифікація теплообмінників ТА класифікують за такими ознаками:

– за принципом дії:

– контактні (змішувальні). В цих апаратах відбувається безпосередній контакт і змішування гарячого і холодного теплоносіїв.

– поверхневі. В цих теплообмінниках теплообмін відбувається з участю поверхні твердого тіла, яка є проміжним теплоносієм. Поверхневі ТА поділяються на:

– рекуперативні – в яких теплообмін відбувається через відокремлюючу теплоносії стінку.

– регенеративні – в цих ТА теплообмін відбувається в результаті періодичного стикання теплоносіїв з теплоакумулюючою поверхнею.

– за технологічним призначенням:

повітронагрівачі, парогенератори, пароперегрівачі, оливоохолоджувачі і т.д.;

– за схемою руху теплоносіїв:

прямоточні, протиточні, з перехресним током, комбіновані.

– за родом теплоносіїв:

водо-водяні, пароводяні, водоповітряні.

– за родом матеріалу, з якого виготовлені теплообмінники:

стальні, чавунні, скляні і т.д.

– за родом теплообмінних поверхонь:

гладкотрубні, ребристі, пластинчасті, спіральні.

– за числом ходів:

одноходові, багатоходові.

5.2 Основи теплового розрахунку теплообмінників

Метою теплового розрахунку ТА є визначення площі поверхні теплообміну, а в тому випадку коли площа поверхні теплообмінника відома, то метою розрахунку є знаходження кінцевих температур теплоносіїв.

В основі розрахунку ТА лежать рівняння теплового балансу і рівняння теплопередачі.

Рівняння теплопередачі записується у вигляді де – тепловий потік, ; – середній коефіцієнт теплопередачі, ; – площа поверхні теплообміну, ; , – температури гарячого і холодного теплоносіїв.

Якщо знехтувати тепловими втратами і фазовими переходами то рівняння теплового балансу записується в вигляді , де , – масова витрата теплоносіїв, ; , – середня масова ізобарна теплоємність теплоносіїв в інтервалі температур від до ; , – температура теплоносіїв на вході в ТА; , – температура теплоносіїв на виході з ТА.

Величина називається умовним або водяним еквівалентом. З врахування цього позначення рівняння теплового балансу можна записати у вигляді або , де , – умовні еквіваленти гарячого і холодного теплоносіїв.

При русі теплоносіїв в ТА змінюються їх температура, а також різниця температур. Зміна температур теплоносіїв в теплообміннику обернено пропорційна їх умовним еквівалентам.

Величини і в рівнянні теплопередачі можна вважати сталими тільки для елемента поверхні . Тому рівняння теплопередачі для елемента справедливе лише в диференціальній формі .

Н авести ще два варіанти графіків.....

Тепловий потік, який передається через всю поверхню

,

де – середньологарифмічний температурний напір. Для визначення середньологарифміного температурного напору користуються формулою , де , – більший і менший перепади температур між теплоносіями на кінцях теплообмінника.

В прямоточному ТА завжди дорівнює різниці температур теплоносіїв на вході, а – на виході. В протитічному теплообміннику теплоносії рухаються назустріч один одному і значення на кінцях визначаються за різницею температур на вході гарячого і на виході холодного теплоносія. Числове значення для ТА з протитоком при однакових умовах завжди більше для апаратів з прямотоком, тобто > .

П лоща поверхні теплообміну визначається за формулою , де – тепловий потік, який визначають із рівняння теплового балансу.

В наслідок того, що > , площа поверхні теплообмінника з протитоком при однакових умовах буде меншою за площу поверхні теплообмінника з прямотоком , тобто < .

Звідси випливає, що ТА з протитоком мають менші розміри, при їх виготовленні досягається економія металу. Проте в цих ТА виникають при їх роботі значні температурні напруги, тому в тих випадках коли потрібна висока надійність в роботі ТА використовують теплообмінники з прямотоком.