12.3. Типи теплообмінних апаратів.

Теплообмінним апаратом називають усякий пристрій, у якому одна рідина — гаряче середовище, передає теплоту іншої рідині - холодному середовищу. Як теплоносіїв у теплових апаратах використовуються різноманітні краплинні і пружні рідини в самому широкому діапазоні тисків і температур. За принципом роботи апарати поділяють на регенеративні, змішувальні рекуперативні.

У регенеративних апаратах гарячий теплоносій віддає свою теплоту пристроєві, що акумулює, що у свою чергу періодично віддає теплоту другій рідині - холодному теплоносієві, тобто та сама поверхня нагрівання омивається то гарячою, то холодною рідиною.

У змішувальних апаратах передача теплоти від гарячої до холодної рідини відбувається при безпосередньому змішанні обох рідин, що наприклад змішують конденсатори.

Особливо широкий розвиток у всіх областях техніки одержали рекуперативні апарати, у яких теплота від гарячої до холодної рідини передається через розділову стінку. Тільки такі апарати будуть розглянуті надалі.

Теплообмінні апарати можуть мати самі різноманітні призначення — парові казани, конденсатори, пароперегрівники, прилади центрального опалення і т.д.

Теплообмінні апарати в більшості випадків значно відрізняються друг від друга як по своїх формах і розмірам, так і по застосовуваним у них робочих тіл. Незважаючи на велику розмаїтість теплообмінних апаратів, основні положення теплового розрахунку для них залишаються загальними.

У теплообмінних апаратах рух рідини здійснюється по трьох основних схемах.

Якщо напрямок руху гарячого і холодного теплоносіїв збігаються, то такий рух називається прямо током (мал.12.3,а).

Якщо напрямок руху гарячого теплоносія протилежно рухові холодного теплоносія, то такий рух називається протитоком (мал.12.3,б). Якщо ж гарячий теплоносій рухається перпендикулярно рухові холодного теплоносія, то такий рух називається перехресним струмом (мал.12.3,в). Крім цих основних схем руху рідин, у теплообмінних апаратах застосовують більш складні схеми руху, що включають усі три основні схеми.

12.4. Розрахунок теплообмінних апаратів.

Метою теплового розрахунку є визначення поверхні теплообміну, а якщо остання відома, то метою розрахунку є визначення кінцевих температур робочих рідин. Основними розрахунковими рівняннями теплообміну при стаціонарному режимі є рівняння теплопередачі і рівняння теплового балансу. Рівняння теплопередачі:

Q = k·F·(t₁ – t₂ ) ,

де Q — тепловий потік, Вт, k - середній коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²град),

F — поверхня теплообміну в апараті, м², t₁ і t₂ - відповідно температури гарячого і холодного теплоносіїв.

Рівняння теплового балансу за умови відсутності теплових втрат і фазових переходів:

Q = = m₁ · c_р1 ·t₁ = m₂· c_р2·t₂ ,

або

Q = V₁ ₁·c_р1·(t^/₁ – t^//₁₎ = V₂ ₂·c_р2 ·(t^//₂ – t^/₂), (12.16)

де V₁ ₁, V₂ ₂ - масові витрати теплоносіїв, кг/с, з c_р1 і c_р2 - середні масові теплоємності рідин в інтервалі температур від t^ґ до t^//, t^/₁ і t^//₁ температури рідин при вході в апарат; t^/₂ і t^//₂ - температури рідин при виході з апарата.

Величину добутку V··c_р = W, Вт/град називають водяником, або умовним, еквівалентом. З обліком останнього рівняння теплового балансу може бути представлене в наступному виді:

(t^/₁ - t^//₁) / (t^//₂ - t^ґ₂) = W₂ / W₁ , (12.17 )

W₂ , W₁ - умовні еквіваленти гарячої і холодної рідин.

При проходженні через теплообмінний апарат робочих рідин змінюються температури гарячих і холодних рідин. На зміну температур великий вплив роблять схема руху рідин і величини умовних еквівалентів.

На мал.12.4 представлені температурні графіки для апаратів із прямо током, а на мал.12.5 для апаратів із протитоком.

Як видно з мал.12.4 , при прямо току кінцева температура холодного теплоносія завжди нижче кінцевої температури гарячого теплоносія. При протитоку (мал.12.5) кінцева температура холодної рідини може бути значно вище кінцевої температури гарячої рідини.

Отже, в апаратах із протитоком можна нагріти холодне середовище, при однакових початкових умовах, до більш високої температури, чим в апаратах із прямо током. Крім того, як видно з малюнків, поряд зі змінами температур змінюється також і різниця температурячи між робочими рідинами, або температурний напір t.

Величини t і k можна прийняти постійними тільки в межах елементарної поверхні теплообміну d. Тому рівняння теплопередачі для елемента поверхні теплообміну d справедливо лише в диференціальній формі:

dQ==k·dF·t . (12.18)

Тепловий потік, переданий через усю поверхню F при постійному середньому коефіцієнті теплопередачі k, визначається інтегруванням рівняння (12.18 ):

Q =  k·d·t= k·F·t_ср , (12.19)

де t_ср - середній логарифмічний температурний напір по всій поверхні нагрівання.

Для випадків, коли коефіцієнт теплопередачі на окремих ділянках поверхні теплообміну значно змінюється, його опосереднюють:

k_ср = (F₁·k₁ + F₂·k₂ + … + F_n·k_n) / (F₁ + F₂ + … + F_n)...

Тоді при k_ср = const рівняння (12.9 ) прийме вид

Q = k_ср t ·d = k_ср ·t_ср ·F. (12.20)

Якщо температура теплоносіїв змінюється за законом прямої лінії (мал.12.6, пунктирні лінії), то середній температурний напір в апараті дорівнює різниці середньоарифметичних величин:

t_ср = (t^/₁ + t^//₁)/2 - (t^//₂ + t^/₂)/2 . (12.21)

Однак температури робочих рідин міняються по криволінійному законі. Тому рівняння (12.21) буде тільки наближеним і може застосовуватися при невеликих змінах температури обох рідин. При криволінійній зміні температури величину t_ср називають середньоарифметичним температурним напором і визначають по формулах: для апаратів із прямо током

t_ср = [(t^/₁ - t^/₂₎ - (t^//₁ - t^//₂)] / ln[(t^/₁ - t^/₂)/(t^//₁ - t^//₂)] . (12.22)

для апаратів із протитоком

t_ср = [(t^/₁ - t^//₂₎ - (t^//₁ - t^/₂)] / ln[(t^/₁ - t^//₂)/(t^//₁ - t^/₂)] . (12.23)

Чисельні значення t_ср для апаратів із протитоком при однакових умовах завжди більше t_ср для апаратів із прямо током, тому апарати з протитоком мають менші розміри.