Теплообмінні апарати — пристрої, у яких здійснюється теплообмін між двома або декількома теплоносіями або між теплоносіями й твердими тілами (стінкою, насадкою). Використовуються у багатьох галузях промисловості. За іншим визначенням, теплообмінний апарат — пристрій для передавання тепла від одного робочого середовища до іншого.
Теплообмінний апарат — пристрій для перенесення теплоти від одного теплоносія до іншого або від теплоносія до поверхні тіла, що його нагрівають. До теплообмінних апаратів належать випарники, економайзери, льодогенератори, парогенератори, повітронагрівачі, градирні тощо. Застосовують теплообмінні апарати у теплоенергетиці, промисловості, сільському господарстві, системах вентиляції та опалення тощо.
Загальні відомості про теплообмінні апарати
Кожухотрубні теплообмінники., один прохід (1–1 паралельний потік)
Кожухотрубні теплообмінники., 2-пройти сторону трубки (1–2 перетік)
Кожухотрубні теплообмінники., 2-прохід з боку оболонки, (2-2 противотоком)
Пристрої, у яких здійснюється процес масообміну (тобто має місце взаємопроникнення речовин), називаються масообмінними апаратами. У тепломасообмінних апаратах процеси масо- і теплообміну протікають одночасно.
За своїм призначенням теплообмінні і тепломасообмінні апарати різноманітні і часто мають спеціальні назви (підігрівач, випарник тощо).
На ТЕС і АЕС одним з теплообмінних апаратів є підігрівач живильної води. У будь-якому випадку потрібно визначити площу поверхні теплообміну (при заданому діаметрі труб потрібно знайти їх число й довжину). Для розрахунку необхідні дані про термічні опори перенесення теплоти. При цьому для знаходження коефіцієнтів тепловіддачі використовується теорія теплообміну. Тепловий розрахунок теплообмінного апарату, метою якого є визначення площі, називається конструкторським. Припустимо, що є готовий теплообмінний апарат (наприклад, що серійно випускається заводом), потрібно дізнатися, чи буде в ньому забезпечено підігрівання або охолоджування теплоносія до заданої температури. Тепловий розрахунок, що виконується для вирішення вказаної задачі, називається перевірочним. Його метою є знаходження кінцевих температур теплоносіїв, а також температури поверхні при заданих початкових температурах теплоносіїв. Масові витрати теплоносіїв в будь-якому типі розрахунку вважаються заданими величинами.
Від значення площі поверхні тепло- і масообміну залежить значення потоків теплоти і маси речовини. Тому в технологічних установках часто використовується метод розпилювання рідини (її дроблення на дрібні краплі) і застосовуються тепломасообмінні апарати з псевдозрідженим («киплячим») шаром твердих часток. В останньому випадку швидкість газу, що подається в нижню частину шару часток, підбирається так, щоб частки не були нерухомими і в той же час не зносилися з шару потоком газу. Частки, що перебувають в зрівноваженому стані, інтенсивно перемішуються з газом, що забезпечує високу інтенсивність процесів тепло- і масопереносу.
Тепломасообмінні апарати різноманітні, їх можна класифікувати за різними ознаками.
Теплообмінні апарати підрозділяються на:
- рекуперативні,
- регенеративні
- змішувального типу.
Незважаючи на особливості, властиві теплообмінним і тепломасобмінним апаратам, вони працюють таким чином, що у будь-якому випадку для них виконуються закони збереження енергії, маси речовини й кількості руху. Ці закони необхідно брати до уваги в будь-яких теплових і гідромеханічних розрахунках апаратів.
Рекуперативні теплообмінники
У рекуперативних апаратах передача теплоти від одного теплоносія до іншого відбувається через роздільну́ стінку (наприклад, стінку труби).
Можливі різні схеми руху теплоносіїв:
- прямоточна (теплоносії рухаються уздовж поверхні нагріву в одному напрямі);
- протиточна (теплоносії рухаються в протилежних напрямах);
- складна (наприклад, перехресна течія).
Конденсатор парової турбіни. У ньому здійснюється процес фазового переходу, у якому температура залишається постійною, а охолоджувальна вода має два ходи (один хід зліва направо, у другій — у протилежному напрямі). Наявність декількох ходів дозволяє скоротити габаритні розміри апарату. Схема апарату з U-подібними трубами — рух теплоносіїв у ньому близький до протиточної.
Теплообмінним апаратом із складною схемою потоків теплоносіїв є кожухотрубний теплообмінник з перегородками в міжтрубному просторі . Водяний економайзер (його схема приведена на рис. 1.2) не має окремого корпусу. Він розташований в конвективній шахті парогенератора. У економайзері підігрівання живильної води здійснюється продуктами згорання (димовими газами).
Схема руху близька до перехресного току. Труби економайзера можуть розташовуватися як у коридорному, так і шаховому порядку (на рис. 1.2 труби розташовані в шаховому порядку).
У ьому теплообміннику значення теплового потоку залежить від різниці температур теплоносіїв і коефіцієнта теплопередачі. Як відомо, коефіцієнт теплопередачі — величина, зворотна сумі термічних опорів. Найбільше зі всіх термічних опорів визначає інтенсивність процесу теплопередачі. Габаритні розміри економайзера можна зменшити замінивши гладкі труби на оребрені.
Регенеративні теплообмінні апарати
На показаний нагрівач повітря обертового типу (нагрівач повітря Юнгстрема). В даному випадку теплота передається за допомогою набивки, виконаної з тонких металевих листів. У той період часу, коли набивка міститься на стороні гарячих газів, вона нагрівається і акумулює теплоту, яка потім передається повітрю. Нагрівач повітря, який обертається, є прикладом теплообмінника регенеративного типу. В іншому випадку теплоносії протікають в одному і тому ж каналі, але поперемінно. Коли через апарат протікає гарячий теплоносій, він омиває нерухому насадку, що акумулює теплоту. Період нагрівання насадки змінявся періодом її охолоджування, коли вона омивається холодним теплоносієм. У регенеративному підігрівачі має місце нестаціонарний процес теплопередачі. В якості насадкової поверхні часто використовується цегельна кладка (рис. 1.4).
Протягом першого циклу роботи апарату поверхня цегельної кладки омивається високотемпературним потоком продуктів згорання, а протягом другого циклу — холодним повітрям або іншими компонентами горіння, що використовуються в технологічних установках.
Апарати змішаного типу
В апаратах змішаного типу здійснюється безпосередній контакт двох або більше речовин, що перебувають у рідкому або газоподібному стані. На ТЕС і АЕС застосовуються підігрівачі змішуючого типу, у яких підігрівання живильної води відбувається внаслідок її змішування з парою, відібраною від турбіни (зазвичай пара відбирається від циліндра низького тиску турбіни). Зважаючи на відсутність твердої поверхні теплообміну, вартість підігрівача змішаного типу менша, ніж підігрівача поверхневого типу. Крім того, через відсутність різниці температур теплообмінних рідин на виході ці підігрівачі мають менші ентропійні втрати, тому вони економічніші.
Для ефективної роботи апарата змішаного типу важливе значення має площа контакту робочої поверхні, для збільшення якої часто використовуються різні насадки у вигляді кілець або насадки іншої форми. Рідина стікає вниз по поверхні насадки, а газ в протилежному напрямі рухається вгору. Газорідинні апарати змішаного типу (скрубери) застосовуються як для охолоджування або нагрівання газів (або води), так і для очищення їх від шкідливих домішок. Відмінною особливістю цих апаратів є те, що в них часто здійснюються спільні процеси тепло- і масообміну. Наприклад, в скрубері шкідливі домішки, що містяться в газі, дифундують в шар рідини.
