устройство для передачи тепла от нагретого (жидкого или газообразного) теплоносителя более холодному. Примером может служить аппарат для пастеризации молока, в котором холодное молоко нагревается горячей водой, протекающей по внутренним трубам.
Классификация. Существует много разных видов теплообменных аппаратов. В контактных (смесительных) теплообменниках потоки греющего и нагреваемого веществ приводятся в прямой контакт друг с другом. Типичный пример - струйный конденсатор, в котором разбрызгиваемая вода используется для конденсации водяного пара. В теплообменниках поверхностного типа теплоноситель и нагреваемая среда разделяются тонкой стенкой. Часть поверхности стенки, соприкасающаяся с греющим и нагреваемым потоками, называется поверхностью теплообмена. Примером теплообменника поверхностного типа может служить автомобильный радиатор, в котором вода системы охлаждения двигателя и более холодный атмосферный воздух находятся по разные стороны стенок решетки из тонких медных или латунных радиаторных трубок. В жаротрубных теплообменниках в результате сгорания топлива образуется поток горячих газов, как, например, в паровых котлах и бытовых котлах водяного отопления с топочным устройством.
Дальнейшая классификация теплообменных аппаратов основана на различиях их конструкции. На рис. 1 представлен часто встречающийся теплообменник кожухотрубного типа. Широко распространены также теплообменники с развитой поверхностью (пластинчатые, или ребристые). В них за счет применения поперечных ребер (рис. 2) достигается значительное увеличение площади поверхности теплообмена. Отношение площадей поверхности ребер и неоребренной части труб может достигать 10. Правда, поверхность ребер менее эффективна в отношении теплопередачи, нежели собственная поверхность труб. И все же правильно спроектированный ребристый теплообменник более компактен, чем теплообменник без оребрения труб, т.е. при одинаковых рабочих условиях у него более высокая интенсивность теплопередачи, приходящаяся на единицу объема. Поперечные ребра теплообменника, показанного на рис. 2, припаиваются к трубам твердым или мягким припоем.
Интенсивность теплопередачи. Интенсивность теплопередачи (тепловой поток) пропорциональна разности температур греющего и нагреваемого веществ. Кроме того, она зависит от термического сопротивления пленок рабочих тел, находящихся в контакте с поверхностью теплообмена, и термического сопротивления стенки. Вследствие образования твердых отложений на поверхностях теплообменника (накипи) термическое сопротивление возрастает. Если термические сопротивления берутся в расчете на единицу площади поверхности теплообмена, то полная интенсивность теплопередачи пропорциональна также площади теплообмена в теплообменнике. Все сказанное выражается следующим уравнением теплопередачи:
где q - тепловая мощность теплообменника, Вт; A - площадь поверхности теплообмена, м2; ?t - средний температурный напор, т.е. средняя разность температур теплоносителя и нагреваемой среды, К; R - полное термическое сопротивление, учитывающее все указанные выше его слагаемые, м2?К/Вт; U - полный коэффициент теплопередачи (величина, обратная R), Вт/(м2?К).
Поскольку величина U отнесена к площади A, при ее определении необходимо указывать соответствующую площадь поверхности теплообмена (например, в случае ребристых теплообменников - площадь только неоребренной поверхности труб или полную площадь поверхности теплообмена с учетом ребер).
При заданных температурах греющего и нагреваемого потоков на входе и выходе теплообменника средний температурный напор ?t максимален в противоточных теплообменниках, т.е. таких, в которых два потока направлены навстречу друг другу. В прямоточных же теплообменниках, в которых потоки направлены в одну сторону, величина ?t минимальна. Возможна еще и перекрестная схема тока (рис. 2). Во многих теплообменниках обычных типов встречаются все три основные схемы тока, как, например, на рис. 1, где перекрестная схема тока сочетается с прямоточной и противоточной.
В случае достаточно чистых поверхностей теплообмена полное термическое сопротивление R зависит в основном от скоростей течения у поверхности теплообмена, а также от плотности, вязкости, коэффициента теплопроводности и удельной теплоемкости теплоносителя и нагреваемой среды. В некоторых случаях термическое сопротивление пленки одной из рабочих сред намного меньше, чем термическое сопротивление другой. Поскольку же эти термические сопротивления "включены" последовательно, полное термическое сопротивление определяется большей компонентой. Так обстоит дело, например, в секции экономайзера парового котла, где полное термическое сопротивление определяется сопротивлением пленки газа, поскольку сопротивление на стороне воды сравнительно невелико. Это обстоятельство позволяет существенно уменьшить объем экономайзера, если применить оребрение труб на стороне того теплоносителя, термическим сопротивлением которого определяется полная интенсивность теплопередачи. Ребристые экономайзеры применяются во многих силовых установках судов торгового и военно-морского флота.
Применение. На паротурбинных электростанциях важнейшими теплообменными устройствами являются паровой котел и конденсатор. Имеются и другие теплообменники, назначение которых - повысить тепловой КПД электростанции или улучшить ее эксплуатационные характеристики: термические деаэраторы, экономайзеры, воздухоподогреватели и подогреватели питательной воды. Точно так же основными компонентами всякой холодильной системы с замкнутым циклом являются испаритель и конденсатор. Теплообменники широко применяются в перерабатывающей и химической промышленности, например в установках для нефтепереработки. Они играют важную роль также на атомных электростанциях.
Тепловые трубы. Тепловая труба - это устройство для переноса тепловой энергии из нагретой области ("источника") в холодную область ("сток") с КПД, намного большим, чем при использовании любых высокотеплопроводных металлов. Если подводить тепло к одной секции такой герметичной трубы, содержащей жидкость, то часть жидкости будет испаряться, поглощая большие количества тепла. Пары, переходя в другую секцию, будут конденсироваться и отдавать тепло. Вернув сконденсировавшуюся жидкость обратно, мы получим замкнутый цикл. Перенос жидкости из зоны конденсации в зону испарения в тепловой трубе осуществляется за счет капиллярных сил в фитиле, закрепленном на внутренних стенках трубы. Фитиль в тепловой трубе действует так же, как и в старых керосиновых лампах, в которых керосин поступает из резервуара к пламени по фитилю. См. также ЖИДКОСТЕЙ ТЕОРИЯ.
Тепловая труба была предложена как средство отвода тепла в космических летательных аппаратах: тепло, выделяемое электронными приборами, отводится к наружным стенкам КЛА и там за счет излучения рассеивается в космосе. В пилотируемых космических кораблях тепло солнечного излучения должно равномерно распределяться по всему КК, чтобы обеспечивалась необходимая комфортность (чего можно добиться также за счет медленного вращения космического корабля). В связи с этим тепловая труба, способная осуществлять теплоперенос в условиях невесомости, сразу же нашла практическое применение при исследовании космического пространства. См. также КОСМОСА ИССЛЕДОВАНИЕ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ; КОСМИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ.
Благодаря той простоте, с которой тепловые трубы работают в условиях нормальной силы тяжести, на их основе были созданы энергосберегающие теплообменники. "Сбросное" тепло отходящих газов печи или топки можно улавливать посредством теплообменника с решеткой из тепловых труб, один конец которой омывается отходящими газами, а другой - потоком холодного свежего воздуха. Свежий воздух нагревается за счет тепла отходящих газов, передаваемого посредством рабочего тела тепловой трубы. Для увеличения площади поверхности теплообмена трубы можно оребрить. Компактная система такого рода способна сберегать 60-70% энергии, которая иначе просто терялась бы, рассеиваясь в атмосфере. Нагретый воздух можно использовать для отопления или подавать в топку (например, парового котла) в качестве предварительно подогретого воздуха для горения топлива.
На практике обычно применяются либо горизонтальные тепловые трубы, либо наклонные с нижней нагреваемой секцией. Сила тяжести способствует возврату жидкости в испарительную секцию, а фитиль равномерно распределяет ее по всей поверхности. Но разработаны и т.н. антигравитационные тепловые трубы, в которых нагреваемая секция расположена выше охлаждаемой.
Тепловая труба может работать в широком диапазоне температур, если в качестве рабочих жидкостей использовать воду, обычные хладагенты и жидкие углеводороды. Превосходными рабочими жидкостями оказываются жидкие металлы при высоких температурах. Например, одно экспериментальное устройство с расплавленным серебром в вольфрамовом резервуаре проработало сотни часов при температуре выше 2200 К.
В настоящее время миллионы тепловых труб работают в энергосберегающих теплообменниках и в промышленных технологических установках. Тысячи тепловых аккумуляторов такого типа отводят тепло из тундрового грунта под Аляскинским нефтепроводом. За счет охлаждения, происходящего в зимние месяцы, слой грунта под нефтепроводом поддерживается замерзшим на протяжении всего лета. Тепловые трубы все шире применяются и в повседневной жизни.