Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Тела, участвующие в теплообмене называются теплоносителями.

Теплопередача - наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов - нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривании и имеют большое значение для проведения многих массообменных, а также химических процессов, протекающих с подводом или отводом тепла.

Различают три способа распространения тепла:

Теплопроводность - представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может происходить либо движением самих молекул, либо колебанием атомов (кристаллическая решетка твердых тел), либо диффундированием свободных электронов в металле.

Конвекция - это перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объёмов жидкости или газа. Различают естественную или свободную конвекцию, которая обусловлена разностью плотностей в различных точках объема жидкости или газа, возникающие вследствие разности температур, и вынужденную конвекцию, которая возникает при принудительном движении всего объема жидкости или газа (перемешивание).

Тепловое излучение - процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волны, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тепла.

В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним способом, а комбинированным путем.

Перенос тепла от стенки в газообразной или жидкой среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

Различают установившиеся (стационарные) процессы теплообмена для непрерывно действующих аппаратов и неустановившиеся - для периодически действующих аппаратов.

Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда и отдающие тепло, называются нагревающими агентами. Теплоносители с более низкой температурой - охлаждающие агенты. Выбор теплоносителя зависит от требуемой температуры нагрева или охлаждения и необходимости её регулирования. Промышленный теплоноситель должен обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемных его расходах. Соответственно он должен обладать малой вязкостью, но высокими плотностью, температурой и теплотой парообразования. Желательно также, чтобы теплоноситель был не горюч, не токсичен, термически стоек, не оказывал разрушающего действия на материал теплообменника и вместе с тем являлся бы достаточно доступным и дешевым веществом.

В зависимости от способа передачи тепла различают две основные группы теплообменников:

Поверхностные теплообменники, в которых перенос тепла между средами происходит через разделяющую их поверхность теплообмена - глухую стенку.

Теплообменники смешения, в которых тепло передаётся от одной среды к другой при непосредственном соприкосновении.

Поверхностные теплообменники имеют различное конструктивное оформление. Ниже рассмотрим некоторые наиболее часто встречающиеся конструкции теплообменников.

Кожухотрубчатые теплообменники - являются наиболее распространенными аппаратами вследствие компактного размещения большой теплопередающей поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена в нем образуется пучком параллельно расположенных трубок, концы которых закреплены в двух трубных досках. Трубки заключены в цилиндрический кожух, приваренный к трубным доскам или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки (днища), что позволяет легко снять их и произвести чистку трубок или в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отвода теплообменивающихся сред в аппарате имеются штуцеры. Для равномерного распределения трубки размещаются в решетках обычно по периметрам правильных шестиугольников, реже - по вершинам квадратов.

Выше указывались преимущества проведения процесса теплообмена по принципу противотока. При этом охлаждаемую среду можно направить сверху вниз, а нагреваемую навстречу ей, или наоборот. Правильным является первый путь, т.к. он соответствует "естественному стремлению" обеих сред. Кроме того, при указанных направлениях движения достигается более равномерное распределение скоростей и идентичные условия теплообмена по площади поперечного сечения аппарата.

Одноходовый теплообменник имеет небольшой расход жидкости, соответственно небольшие скорости движения в трубах и поэтому низкий коэффициент теплопередачи. Для увеличения коэффициента теплопередачи при данной поверхности теплообмена можно уменьшить диаметр труб, увеличив их длину. Однако такие теплообменники имеют повышенный расход материала и неудобны для монтажа, поэтому увеличение скорости теплообмена достигается за счет использования многоходовых теплообменников.

Разбивку на секции в многоходовых теплообменниках производят таким образом, чтобы во всех секциях находилось одинаковое число труб. Вследствие меньшей площади суммарного поперечного сечения труб, размещенных в одной секции по сравнению с поперечным сечением всего пучка труб, скорость жидкости в трубном пространстве многоходового теплообменника возрастет в число раз, равное числу ходов. Для увеличения скорости и удаления пути движения среды в межтрубном пространстве ставятся сегментные перегородки. Повышение эффективности теплообмена в многоходовых теплообменниках сопровождается возрастанием гидравлического сопротивления (увеличение расхода энергии на перемещение жидкости) и усложнением конструкции теплообменника. Многоходовые теплообменники работают по принципу смешанного тона.

Теплообменник типа "труба в трубе" - состоит из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, оборудованными двумя концентрически расположенными трубами (теплообменники этого типа смонтированы из труб, каждая из которых окружена трубой несколько большего диаметра). Одна среда течет во внутренней трубе, другая - по кольцевому каналу.

Внутренние трубы соединены последовательно "калачами", а наружные - патрубками. При необходимости получить большую поверхность теплопередачи возможно не только последовательное, но и параллельное и комбинированное соединение таких секторов с помощью коллекторов. Благодаря небольшим поперечным сечениям трубного и межтрубного пространства в данных теплообменниках достигаются довольно высокие скорости жидкости.

Это позволяет получить более высокие коэффициенты теплоотдачи и соответственно теплопередачи и достигать более высоких тепловых нагрузок на единицу массы аппарата, чем в кожухотрубчатых теплообменниках. Однако данные теплообменники более громоздки и требуют большего расхода металла на единицу поверхности теплообмена, чем кожухотрубчатые. Теплообменники данного типа могут эффективно работать при небольших расходах теплоносителей и высоких давлениях.

Ниже представлена конструкция теплообменника типа "труба в трубе".

Рисунок 1. Конструкция теплообменника типа "труба в трубе".

2. Расчет водо-водяного теплообменника типа "труба в трубе"