Теплообмінники

 

Теплообмінники – це пристрої, в яких відбувається теплообмін між гріючим та нагрівальним середовищами. У теплообмінних апаратах можуть відбуватися різні процеси: нагрівання, охолодження, випаровування, конденсація, кипіння, затвердіння та складні тепло - та масообмінні процеси. Теплообмінні апарати в залежності від призначення поділяються на підігрівачі, випарювачі, конденсатори, скрубери, регенератори, кип’ятильники, випарні установки та ін. За принципом дії вони поділяються на поверхневі, змішувальні та регенератори.

У поверхневих теплообмінниках два теплоносії розділяються стінкою і теплота передається від більш нагрітого теплоносія до менш нагрітого.

Змішувальні теплообмінники працюють без роздільної стінки між теплоносіями. Тому теплоносій переміщується за безпосереднього стикання теплоносіїв і супроводжується масообміном.

У регенеративних теплообмінниках передача теплоти проходить шляхом стикання одного теплоносія із завчасно нагрітими тілами – нерухомою або перемішуючою насадкою, яка періодично нагрівається або охолоджується другим теплоносієм.

Теплообмінні процеси можуть проходити лише за наявності різниці температури, яка є рушійною силою теплообміну. Теплота від одного тіла до другого може передаватися теплопровідністю, конвекцією та тепловим випромінюванням, тому слід розрізняти процеси теплообміну.

Процес передачі теплоти через стінку називається теплопередачею. Передача теплоти від поверхні твердого тіла (стінки) до газового або рідинного середовища називається конвективною теплопередачею.

Закон передачі теплоти теплопровідністю (Фур’є) має вигляд:

(2.11)

де – коефіцієнт теплопровідності; S – поверхня теплопередачі; Т – температура; х – товщина стінки.

Кількість теплоти, необхідної для нагріву тіла, пропорційна його масі і зміні температури:

, (2.12)

де m – маса тіла; с – питома теплоємність речовини; T ₁, T ₂ – температури теплоносія і нагріваючого тіла.

При теплопередачі (коефіцієнт k):

, (2.13)

де t – час переносу тепла.

Для конвективного теплообміну основною характеристикою є коефіцієнт тепловіддачі α_k, а кількість теплоти, що передається теплообміном становить:

. (2.14)

Є також променеве випромінювання. При нагріванні тіл частина теплової енергії перетворюється в променеву.

Кількість теплоти, яка переходить від більш нагрітого тіла до нагрітого променевим випромінюванням визначається рівнянням

,

де с _1-2 – коефіцієнт взаємного випромінювання; φ – кутовий коефіцієнт, що визначається формою і розмірами поверхонь, які беруть участь в теплообміні; Т ₁, Т ₂ – температури більш і менш нагрітих тіл.

Попереднє рівняння можна записати у вигляді

, (2.15)

де .

Для сумісного теплообміну випромінюванням і конвекцією буде мати місце:

, (2.16)

де .

Теплоносіями в теплообмінних апаратах можуть бути: водяна пара, топкові гази, електронагрівання, нагріті рідини. Крім електронагріву теплоносії характеризуються масовими або об'ємними витратами.

Водяна пара – один з найпоширеніших теплоносіїв. Використовують насичену водяну пару. Питома теплота конденсації пари r = Дж/кг. Позитивна якість насичення водяної пари - сталість температури конденсації за умови даного (сталого) тиску, що дає змогу досить точно підтримувати температуру нагрівання і легко її регулювати, змінюючи тиск гарячої пари.

Теплота, що надходить з парою у теплообмінник становить:

; (2.17)

де – масові витрати пари.

Звідки витрати пари знаходять за формулою:

, (2.18)

ле – витрати назріваючої рідини; – середня питома теплоємність середовища; – початкова та кінцеві температури нагріваючого середовища; – втрати теплоти від стінок у навколишнє середовище, які приблизно становлять ()% від ; – питома ентальпія пари; – питома теплоємність конденсату.

Обігрівання топковими газами використовується там, де потрібно отримати високі температури, для досягнення яких застосувати водяну пару або інші теплоносії неможливо. Вони дають змогу здійснювати нагрів до 1100⁰С, і створюються у процесі спалювання рідинного чи газоподібного палива у спеціальних топках.

Кількість тепла, яке виділяється при згорянні палива:

. (2.19)

де m – маса палива, яке повністю згоріло; r_р – теплота згоряння даного палива (твердого або рідинного).

Для газоподібного палива кількість теплоти, яка виділяється під час його згоряння:

, (2.20)

де V – об’єм повністю згорілого палива, - теплота згоряння газоповітряного палива.

Для об’єктів керування де використовуються теплота електричної енергії, кількість теплоти, яка виділяється електронагрівачем дорівнює:

. (2.21)

де U, I – напруга та струм у нагрівачі; t – час; R – активний опір; P - потужність нагрівача.

Теплота від електронагрівача може подаватися через теплопередачу, конвекцію та променеве випромінювання. Два останні способи, як правило, використовуються одночасно.

Якщо нагрівання теплообмінника здійснюється нагрітою (висококиплячою) рідиною, то кількість теплоти, що переноситься потоком нагрітої рідини, визначається рівнянням:

. (2.22)

де F_p, с, T_p – масові витрати, теплоємнвсть, температура нагрітої рідини.