ТЕПЛООБМЕННИК, пристрій для передачі тепла від нагрітого (рідкого або газоподібного) теплоносія більш холодного. Прикладом може служити апарат для пастеризації молока, в якому холодне молоко нагрівається гарячою водою, що протікає по внутрішнім трубам.
Класифікація.
Існує багато різних видів теплообмінних апаратів. У контактних (змішувальних) теплообменниках потоки гріє і нагрівається речовин наводяться в прямий контакт один з одним. Типовий приклад - струменевий конденсатор, в якому розприскується вода використовується для конденсації водяної пари. У теплообмінниках поверхневого типу теплоносій і нагрівається середовище поділяються тонкою стінкою. Частина поверхні стінки, що стикається з гріючою і нагрівається потоками, називається поверхнею теплообміну. Прикладом теплообмінника поверхневого типу може служити автомобільний радіатор, в якому вода системи охолодження двигуна і більш холодний атмосферне повітря знаходяться по різні боки стінок решітки з тонких мідних або латунних радіаторних трубок. В жаротрубних теплообмінниках в результаті згоряння палива утворюється потік гарячих газів, як, наприклад, в парових котлах і побутових котлах водяного опалення з топковим пристроєм.
Подальша класифікація теплообмінних апаратів заснована на відмінностях їх конструкції. На рис. 1 представлений найпоширеніший теплообмінник кожухотрубного типу. Широко поширені також теплообмінники з розвинутою поверхнею (пластинчасті, або ребристі). У них за рахунок застосування поперечних ребер (рис. 2) досягається значне збільшення площі поверхні теплообміну. Відношення площ поверхні ребер і неоребренной частини труб може досягати 10. Правда, поверхня ребер менш ефективна щодо теплопередачі, ніж власна поверхню труб. І все ж правильно спроектований ребристий теплообмінник більш компактний, ніж теплообмінник без оребрення труб, тобто при однакових робочих умовах у нього більш висока інтенсивність теплопередачі, яка припадає на одиницю об'єму. Поперечні ребра теплообмінника, показаного на рис. 2, припаиваются до труб твердим або м'яким припоєм.
Інтенсивність теплопередачі.
Інтенсивність теплопередачі (тепловий потік) пропорційна різниці температур гріє і нагрівається речовин. Крім того, вона залежить від термічного опору плівок робочих тіл, що знаходяться в контакті з поверхнею теплообміну, і термічного опору стінки. Внаслідок утворення твердих відкладень на поверхнях теплообмінника (накипу) термічний опір зростає. Якщо термічні опори беруться в розрахунку на одиницю площі поверхні теплообміну, то повна інтенсивність теплопередачі пропорційна також площі теплообміну в теплообміннику. Все сказане виражається наступним рівнянням теплопередачі:
де q - теплова потужність теплообмінника, Вт; A - площа поверхні теплообміну, м2; D t - середній температурний напір, тобто середня різниця температур теплоносія і нагрівається середовища, К; R - повне термічне опір, що враховує всі зазначені вище його складові, м2чК / Вт; U - повний коефіцієнт теплопередачі (величина, зворотна R), Вт / (м2чК).
Оскільки величина U віднесена до площі A, при її визначенні необхідно вказувати відповідну площу поверхні теплообміну (наприклад, в разі ребристих теплообмінників - площа тільки неоребренной поверхні труб або повну площу поверхні теплообміну з урахуванням ребер).
При заданих температурах гріє і нагрівається потоків на вході і виході теплообмінника середній температурний напір D t максимальний в протиточних теплообмінниках, тобто таких, в яких два потоки спрямовані назустріч один одному. У прямоточних ж теплообмінниках, в яких потоки спрямовані в одну сторону, величина D t мінімальна. Можлива ще й перехресна схема струму (рис. 2). У багатьох теплообменниках звичайних типів зустрічаються всі три основні схеми струму, як, наприклад, на рис. 1, де перехресна схема струму поєднується з прямоточною і противоточной.
У разі досить чистих поверхонь теплообміну повне термічне опір R залежить в основному від швидкостей течії біля поверхні теплообміну, а також від щільності, в'язкості, коефіцієнта теплопровідності і питомої теплоємності теплоносія і нагрівається середовища. У деяких випадках термічний опір плівки однією з робочих середовищ набагато менше, ніж термічний опір іншої. Оскільки ж ці термічні опору «включені» послідовно, повне термічне опір визначається більшою компонентою. Так стан справ, наприклад, в секції економайзера парового котла, де повне термічне опір визначається опором плівки газу, оскільки опір на стороні води порівняно невелика. Ця обставина дозволяє істотно зменшити обсяг економайзера, якщо застосувати ребра труб на стороні того теплоносія, термічним опором якого визначається повна інтенсивність теплопередачі. Ребристі економайзери застосовуються в багатьох силових установках судів торгового і військово-морського флоту.
Застосування.
На паротурбінних електростанціях найважливішими теплообмінними пристроями є паровий котел та конденсатор. Є і інші теплообмінники, призначення яких - підвищити тепловий ККД електростанції або поліпшити її експлуатаційні характеристики: термічні деаератори, економайзери, підігрівачі повітря і підігрівачі живильної води. Точно так же основними компонентами будь-якої холодильної системи із замкнутим циклом є випарник і конденсатор. Теплообмінники широко застосовуються в переробній і хімічній промисловості, наприклад в установках для нафтопереробки. Вони грають важливу роль також на атомних електростанціях.
Теплові труби.
Теплова труба - це пристрій для перенесення теплової енергії з нагрітої області ( «джерела») в холодну область ( «стік») з ККД, набагато більшим, ніж при використанні будь-яких високо теплопровідні металів. Якщо підводити тепло до однієї секції такої герметичній труби, що містить рідину, то частина рідини випарується, поглинаючи велику кількість тепла. Пари, переходячи в іншу секцію, будуть конденсуватися і віддавати тепло. Повернувши Сконденсована рідина назад, ми отримаємо замкнутий цикл. Перенесення рідини із зони конденсації в зону випаровування в тепловій трубі здійснюється за рахунок капілярних сил в гніт, закріпленому на внутрішніх стінках труби. Гніт в тепловій трубі діє так само, як і в старих гасових лампах, в яких гас надходить з резервуара до полум'я по гноті. Див. також РІДИН ТЕОРІЯ .
Теплова труба була запропонована як засіб відведення тепла в космічних літальних апаратах: тепло, що виділяється електронними приладами, відводиться до зовнішніх стінок КЛА і там за рахунок випромінювання розсіюється в космосі. У пілотованих космічних кораблях тепло сонячного випромінювання має рівномірно розподілятися по всьому КК, щоб забезпечувалася необхідна комфортність (чого можна домогтися також за рахунок повільного обертання космічного корабля). У зв'язку з цим теплова труба, здатна здійснювати теплоперенос в умовах невагомості, відразу ж знайшла практичне застосування при дослідженні космічного простору. Див. також КОСМОСА ДОСЛІДЖЕННЯ І ВИКОРИСТАННЯ ; КОСМІЧНА СТАНЦІЯ .
Завдяки тій простоті, з якою теплові труби працюють в умовах нормальної сили тяжіння, на їх основі були створені енергозберігаючі теплообмінники. «Скидних» тепло відхідних газів печі або топки можна вловлювати за допомогою теплообмінника з гратами з теплових труб, один кінець якої омивається газами, а інший - потоком холодного свіжого повітря. Свіже повітря нагрівається за рахунок тепла газів, що відходять, переданого за допомогою робочого тіла теплової труби. Для збільшення площі поверхні теплообміну труби можна оребрено. Компактна система такого роду здатна зберігати 60-70% енергії, яка інакше просто губилася б, розсіюючись в атмосфері. Нагріте повітря можна використовувати для опалення або подавати в топку (наприклад, парового котла) в якості попередньо підігрітого повітря для горіння палива.
На практиці зазвичай застосовуються або горизонтальні теплові труби, або похилі з нижньої нагрівається секцією. Сила тяжіння сприяє поверненню рідини в випарну секцію, а гніт рівномірно розподіляє її по всій поверхні. Але розроблені і т.зв. антигравітаційні теплові труби, в яких нагрівається секція розташована вище охолоджувальної.
Теплова труба може працювати в широкому діапазоні температур, якщо в якості робочих рідин використовувати воду, звичайні холодоагенти і рідкі вуглеводні. Чудовими робочими рідинами виявляються рідкі метали при високих температурах. Наприклад, одне експериментальний пристрій з розплавленим сріблом в вольфрамовому резервуарі опрацювало сотні годин при температурі вище 2200 К.
В даний час мільйони теплових труб працюють в енергозберігаючих теплообмінниках і в промислових технологічних установках. Тисячі теплових акумуляторів такого типу відводять тепло з тундрового грунту під аляскінських нафтопроводом. За рахунок охолодження, що відбувається в зимові місяці, шар грунту під нафтопроводом підтримується замерзлим на протязі всього літа. Теплові труби все ширше застосовуються і в повсякденному житті.