Конкретне завдання нагрівання або охолодження даного продукту може бути вирішена за допомогою різних теплообмінників. Конструкцію теплообмінника слід вибирати, виходячи з таких основних вимог, що пред’являються до теплообмінних апаратів. Найважливішим вимогою є відповідність апарата технологічному процесу обробки даного продукту; це досягається при таких умовах: підтримання необхідної температури процесу, забезпечення можливості регулювання температурного режиму; відповідність робочих швидкостей продукту мінімально необхідної тривалості перебування продукту в апараті; вибір матеріалу апарату відповідно до хімічними властивостями продукту; відповідність апарату тискам робочих середовищ. Другою вимогою є висока ефективність (продуктивність) і економічність роботи апарату, пов’язані з підвищенням інтенсивності теплообміну і одночасно з дотриманням оптимальних гідравлічних опорів апарату.
Ці вимоги зазвичай виконуються при дотриманні наступних умов: достатні швидкості однофазних робочих середовищ для здійснення турбулентного режиму; сприятливе відносний рух робочих середовищ (зазвичай краще протитечія); забезпечення оптимальних умов для відведення конденсату і газів, (при паровому обігріві); досягнення порівнянних термічних опорів по обидва боки стінки поверхні нагрівання; запобігання можливості забруднення і легка чистка поверхні нагрівання, мікробіологічна чистота і ін. Істотними вимогами є також компактність, мала маса, простота конструкції, зручність монтажу і ремонту апарату.
З цієї точки зору впливають такі чинники; конфігурація поверхні нагрівання; спосіб розміщення і кріплення трубок в трубних решітках; наявність і тип перегородок, ущільнень; пристрій камер, коробок, днищ; габаритні розміри апарату і ін. Ряд факторів визначає надійність роботи апарату і зручність його експлуатації: компенсація температурних деформацій, міцність і щільність рознімних з’єднань, доступ для огляду і чищення, зручність контролю за роботою апарату, зручність з’єднання апарата з трубопроводами і т. д.
Ці основні вимоги повинні бути покладені в основу конструювання і вибору теплообмінних апаратів. При цьому найбільше значення має забезпечення заданого технологічного процесу в апараті. Для орієнтування при виборі теплообмінників приведемо наступні міркування. З парорідинних підігрівачів найбільш раціональним є багатоходової по трубному простору – трубчастий теплообмінник жорсткої конструкції (до рухомих трубним грат вдаються в крайньому випадку). Цей же теплообмінник з успіхом можна застосувати в якості газового або рідинного при великих витратах робочих тіл і невеликому числі ходів у міжтрубному просторі. При малих витратах рідин або газів краще застосовувати елементні апарати без рухливих трубних решіток. Ребристі апарати слід застосовувати, якщо умови тепловіддачі між робочими середовищами і стінкою з обох сторін поверхні нагрівання істотно відрізняються (в газорідинних теплообмінниках); ребра доцільно з боку найменшого коефіцієнта тепловіддачі.
Основні способи збільшення інтенсивності теплообміну в підігрівач:
а) зменшення товщини гідродинамічного прикордонного шару в результаті підвищення швидкості руху робочих тіл або іншого виду впливу; це досягається, наприклад, раз-бівкой пучка трубок на ходи і установкою міжтрубних перегородок;
б) поліпшення умов відведення газів, і конденсату при паровому обігріві;
в) створення сприятливих умов для обтікання робочими тілами поверхні нагрівання, при яких вся поверхня бере активну участь в теплообміні;
г) забезпечення оптимальних значень інших визначальних чинників: температур, додаткових термічних опір і т. д. Шляхом аналізу приватних термічних опорів можна вибрати найкращий спосіб підвищення інтенсивності теплообміну в залежності від типу теплообмінника і характеру робочих тел. Так, наприклад, в рідинних теплообмінниках поперечні перегородки має сенс встановлювати тільки при декількох ходах в трубному просторі.
Перегородки не завжди необхідні; при вертикальному розташуванні трубок і нагріванні паром останній подається в міжтрубний простір; поперечні перегородки будуть заважати стіканню конденсату. При теплообміні газу з газом або рідини з рідиною кількість протікає через міжтрубний простір рідини може виявитися настільки великим, що швидкість її досягне тих же значень, що і всередині трубок; отже, установка перегородок втрачає сенс. Перегородки безцільні також в разі сильно забруднених рідин, при яких внаслідок наростання шару забруднень на трубках вирішальний вплив на коефіцієнт теплопередачі надає величина Rn.
Інтенсифікація теплообміну
Є одним з основних напрямків розвитку і вдосконалення теплової апаратури харчових виробництв. При цьому широко використовуються позитивні ефекти в інтенсифікації теплообміну, виявлені і досліджені в інших областях хімічної техніки та енергетики. За останні роки виконано ряд робіт з промислового випробуванню активних «режимних» методів інтенсифікації теплообміну в апаратах хімічних і харчових виробництв (І. М. Федоткін, КТИПП). До них відносяться зміна режимних характеристик течії, додаткова турбу-ція потоку за рахунок пульсації, вдування повітря і ін. Намічено шляхи комплексної інтенсифікації теплообміну, що досягається при спільному впливі різних ефектів. Ведеться прискорена розробка нових типів поверхонь нагріву компактних теплообмінників, ефективність яких оцінюється промисловими даними про зв’язок тепловіддачі з гідродинамічним опором. Знайдено способи передачі значних теплових потоків між робочими середовищами за допомогою теплових труб, аналогічних за способом дії, що гріє трубках хлібопекарських печей (трубках Перкінса). Дані про конкретний застосуванні нових типів теплообмінників містяться в рекомендованої літератури. Розрахунок поверхневих теплообмінників містить теплової, конструктивний, гідравлічний, міцнісних та техніко-економічний розрахунки, які зазвичай виконуються в декількох варіантах. Оцінка обраного варіанту здійснюється за однією з ознак оптимальності: коефіцієнту корисної дії, техніко-економічним критерієм оптимальності та ін. Тепловий розрахунок поверхневого теплообмінника складається в рішенні загальних рівняння теплопередачі Q = qF спільно з рівнянням теплового балансу Q = M1? I1 = M2? I2, для конкретних умов роботи теплообмінника: даних робочих середовищ, конструктивних розмірів елементів теплопередающей поверхні, заданих меж зміни температур і схемою відносного руху теплоносіїв.
Рішенням є сукупність правил (алгоритм), однозначно призводять від вихідних даних до результату-значенням площі поверхні теплообміну в проектному (прямому) розрахунку або до значення температур потоків на виході з апарату при перевірочному розрахунку. Внаслідок впливу численних факторів і відмінності у вихідних даних спільне рішення, придатне для будь-якого теплообмінника, відсутня.
Однак існує кілька простих методів наближеного розрахунку, що відрізняються різними припущеннями, легко реалізованих при ручному і машинному рахунку, серед них найбільш доступні методи розрахунку Грасгофа, Колберна, А. П. Клименко та Г. Е. Канівці (Інститут газу АН УРСР). Розглянемо як приклад методику теплового та конструктивного розрахунку найбільш поширеного парожідкостной трубчастого підігрівача безперервної дії за способом Грасгофа.
В проектних теплових розрахунках підігрівачів визначають:
а) середню різницю температур і середні температури робочих тіл;
б) теплове навантаження і витрата робочих тіл;
в) коефіцієнт теплопередачі; г) поверхня нагріву.