Теплообмінники. Теплообмінники змішування

Теплообмінники змішування. Теплообмінник цього типу має дві вихідні величини: температура рідини і рівень, тобто необхідно два рівняння: матеріального балансу за рівнем і теплового балансу за температурою.

Теплота в теплообмінник надходить з потоками F ₁, F ₂, з температурами Т ₁, Т ₂. Теплообмінник має мішалку (рис. 6.3), тому він є об’єктом ідеального перемішування. З теплообмінника витікає рідина з витратою F_c, з температурою T.

Рівняння теплового балансу має вигляд:

. (6.23)

де dq ₁, dq ₂ - кількість теплоти, що надходить з потоками F ₁, F ₂; dq _v – кількість теплоти, що накопичилася в об’ємі V рідини; dq _с- кількість теплоти, яка виходить з потоком F_с; dq _н – кількість теплоти, що витрачається в навколишнє середовище.

Кількість теплоти, що надходить або витрачається з матеріальним потоками, дорівнює:

(6.24)

 

 

 

Рис. 6.3. Теплообмінник змішування

 

де , , – ентальпії потоків , , .

Кількість теплоти, яка накопичується в масі m рідини теплообмінника, або витрачається з матеріальними потоками:

; (6.25)

де с – теплоємність рідини в теплообміннику.

Підставляючи (6.24), (6.25) в (6.23), враховуючи, що , матимемо

, (6.26)

де с ₁ ,с ₂ – теплоємності рідин потоків , .

Якщо втрати незначні, ними нехтують, в іншому випадку враховують:

, (6.27)

де - коефіцієнт тепловіддачі від зовнішної поверхні S теплообмінника; Т _н – температура навколишнього середовища.

Кожухорубний теплообмінник. Кожухорубний теплообмінник має одну вихідну величину - температуру нагрітого продукту на виході: теплоносієм є перегріта водяна пара. Іноді використовується гаряча вода, високотемпературні органічні теплоносії або топкові гази. В цих теплообмінниках теплота передається в дві стадії: від теплоносія до трубок, в яких протікає продукт, що нагрівається, і від трубок до продукту. Тобто тепловий баланс складається з двох рівнянь:

; (6.28)

. (6.29)

де dq_Т - теплота, що передається теплоносієм; dq_mT – теплота, що накопичується в матеріалі трубок; q_ст – теплота, що передається від трубок до нагріваючої рідини; dq_mР – теплота, що накопичується в нагріваючій рідині; dq_p – теплота, що витрачається з вихідним потоком; dq_вт – витрати теплоти в навколишне середовище (рис. 6.4).

 

 

 

Рис. 6.4. Кожухотрубний теплообмінник

 

Кількість теплоти, що надходить в теплообмінник залежить від виду теплоносія, якщо це водяна пара то:

. (6.30)

де F_T - масові витрати пари; r – теплота фазового переходу; t - час.

Для теплоносія – гарячої води, високотемпературного теплоносія, або топкових газів

dq_T= F_п ·c_Т ·T_Т ·dt,

де с_Т – теплоємність теплоносія; Т_Т – його температура.

Якщо теплообмінник має теплову ізоляцію на його поверхні, то втрати теплоти dq_вт незначні і становлять від кількості теплоти, яка надходить з теплоносієм. Якщо втрати теплоти в навколишнє середовище суттєві, їх визначають за формулою:

. (6.31)

де α; – коефіцієнт тепловіддачі з поверхні теплообмінника; S – його зовнішня поверхня; Т_ст – температура стінки; Т₀ – середня температура навколишнього середовища.

Кількість теплоти, що накопичується в матеріалі трубок і нагріваючій рідині, відповідно, становить:

(6.32)

де m_c,m_p - маса трубок і рідини в теплообміннику; с_с , с_р – їх теплоємності; Т_ст, Т´_р – температури, відповідно, стінки та рідини.

Теплота, яка витрачається з потоком рідини на виході теплообмінника становить:

(6.33)

а яка приходить з вихідним потоком:

(6.34)

де Т_р – температура рідини на вході теплообмінника.

Кількість теплоти, яка передається від стінки трубок до рідини шляхом тепловіддачі, визначається за формулою:

. (6.35)

де α_р –коефіцієнт тепловіддачі від трубок до рідини; S_T – загальна поверхня трубок.

Якщо теплоносієм є перегріта пара, то згідно з (6.30), (6.31), (6.35) система буде мати вигляд:

(6.36)

. (6.37)