40. Теплообменные аппараты. Расчет теплообменных аппаратов. Основные уравнения. Среднелогарифмический температурный напор.

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называют устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой при осуществлении различных тепловых процессов (например, нагревания, охлаждения, кипения, конденсации). Жидкие среды, воспринимающие или отдающие теплоту, именуют горячими или холодными теплоносителями.

По принципу действия теплообменные аппараты разделяются на поверхностные (рекуперативные и ре­генеративные), в которых тепловой перенос осуществ­ляется с использованием разделяющих поверхностей и твердых тел, и смесительные, процессы нагревания и охлаждения в которых происходят при непосредственном контакте теплоносителей.

В рекуперативных теплообменниках горячий и холодный теплоносители перемещаются одновременно, а теплота непрерывно передается через разделяющую их стенку.

Регенеративными (регенераторами) называются теплообменные аппараты, в которых теплоносители попеременно соприкасаются с поверхностью так называемой насадки, аккумулирующей теплоту от горячего теплоносителя и отдающей ее холодному теплоносителю. Таким образом, для регенераторов характерен нестационарный теплообмен.

В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей рекуперативные теплообменники классифицируются на газогазовые, газожидкостные, парогазовые, парожидкостные и жидкостножидкостные. В основу классификации рекуперативных теплообменников может быть также положен способ компоновки теплопередающей поверхности или ее конфигурация: теплообменники типа «труба в трубе», кожухотрубчатые, с прямыми трубками, змеевиковые, пластинчатые, ребристые.

По относительному движению потоков теплоносителей теплообменники делят на прямоточные, противоточные и со смешанным током.

В особую группу выделяют теплообменные аппараты с внутренними источниками теплоты, отвод которой осуществляется одним теплоносителем. Примером та­ких теплообменников могут служить электронагреватели, ядерные реакторы и др.

При проектировании новых теплообменных аппара­тов необходимо выполнить конструкторский тепловой расчет, целью которого является определение площади поверхности теплообмена, обеспечивающей передачу заданного количества теплоты от одного теплоносителя к другому. Для выявления возможности использования имеющихся аппаратов в тех или иных целях производят поверочный тепловой расчет, определяя конечные тем­пературы теплоносителей t"_г и t"_x и количество пере­данной теплоты.

Основными расчетными уравнениями, записанными в дифференциальной форме, являются уравнение тепло­передачи для элемента площади поверхности теплообмена dF:

(17.1)

и уравнение теплового баланса:

(17.2)

где М_г, М_х — массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с; h_г, h_x — энтальпии теплоносителей, кДж/кг; dQ_пот — потери в окружающую среду, кВт.

В общем случае температуры теплоносителей в теплообменнике изменяются, изменяется и температурный напор t = t_г— t_x. В расчетах используется среднее по всей площади поверхности теплообмена значение тем­пературного напора t_cp. В этом случае уравнение теп­лопередачи (17.1) записывается в виде (k=const):

(17.3)

Удельные изобарные теплоемкости с_р теплоносите­лей зависят от температуры. Если использовать среднее значение изобарной теплоемкости в интервале темпера­тур от t' (вход) до t" (выход) и пренебречь потерями теплоты в окружающую среду Q_пот, то уравнение (17.2) преобразуется так:

(17.4)

Произведение Mc_p является полной теплоемкостью массового расхода теплоносителя в единицу времени и измеряется в Вт/К. Эта величина часто называется водяным эквивалентом.

Уравнение (17.4) при введении в него полных теплоемкостей W примет вид:

(17.5)

или

(17.6)

Соотношение (17.6) может быть записано для эле­мента площади поверхности теплообмена dF: W_x/W_г=dt_г/dt_x.

Обычно при расчете теплообменников формула среднелогарифмического температурного напора используется в виде

(17.10)

где t_б и t_м — наибольшая и наименьшая разности температур для данного теплообменного аппарата.