43. Сравнение прямотока и противотока.

А нализ рис. 17.2 позволяет выявить одно важное преимущество противоточной схемы: конечная темпера­тура холодного теплоносителя t"_x может быть более высокой, чем температура горячего теплоносителя на выходе из теплообменника. Такая ситуация невозможна в прямоточном теплообменнике, где всегда t"_г>t"_х. Лишь при бесконечно большой площади поверхности теплообмена на выходе из идеализированного прямоточного теплообменника можно получить равные тем­пературы теплоносителей.

Вторым важным достоинством противоточной схемы является то, что средний температурный напор полу­чается большим, чем для тех же температур при пря­моточной схеме. Это значит, что при противоточном движении теплоносителей можно уменьшить площадь поверхности теплообмена [см. уравнение (17.3)].

Сравнение двух схем движения теплоносителей может быть., проведено путем сопоставления количества теплоты Q_п, передаваемой при прямоточной схеме, и количества теплоты Q_пр, передаваемой при противоточ­ной схеме, при равенстве прочих условий.

На рис. 17.5 показана зависимость отношения Q_п/Q_пр от двух безразмерных характеристик W_г/W_x и kF/W_г. Равноценность двух схем наблюдается в случае, когда полная теплоемкость одного из теплоносителей значительно больше полной теплоемкости другого (W_г/W_x>15 или W_г/W_x<0,03). Одинаковый эффект может быть достигнут для двух схем и в случае, когда значение параметра kF/W_г мало. Это условие выполняется, если средний температурный напор значительно превышает изменение температуры горячего теплоносителя.

Таким образом, при равной площади поверхности теплообмена и одинаковых значениях температур теплоносителей на входе и выходе при противотоке передается теплоты больше, чем при прямотоке. В то же время при противотоке температурные условия работы металла, из которого изготовлена поверхность теплообмена, более тяжелые, особенно в зоне входа горячего теплоносителя, где другая сторона стенки омывается

холодным теплоносителем с наибольшей его температурой. Этот фактор учитывается при конструировании теплообменных аппаратов, работающих с высокотемпературными теплоносителями, например, пароперегревателей котельных агрегатов, некоторых типов воздухоподогревателей и т. д.

Как уже отмечалось, противоточные и прямоточные схемы равнозначны, если один из теплоносителей в процессе теплообмена имеет неизменную температуру (конденсация насыщенных паров или кипение жидкости).

44. Расчет коэффициента теплопередачи для рекуперативного теплообменника.

Определение коэффициента теплопередачи k для теплообменных аппаратов является важным и ответственным моментом расчета. При осреднении величины k по поверхности теплообмена требуется тщательный учет изменения температур теплоносителей и геометрической конфигурации поверхности теплообмена.

Наиболее распространенными в теплообменниках являются трубные цилиндрические поверхности. Формулы для расчета коэффициента теплопередачи в этом случае несколько громоздки. Если стенка трубы не очень толста (d_нар/d_вн<1,5), то с достаточной точ­ностью используются формулы, полученные для плоской стенки.

В процессе эксплуатации поверхность нагрева по­крывается слоями накипи, сажи, золы и т. д., что создает дополнительные термические сопротивления теп­лопроводности, уменьшающие тепловой поток от горячего теплоносителя к холодному. Естественно, что при этом возрастает и гидравлическое сопротивление тепло-обменного аппарата.

Если для простоты расчета пренебречь влиянием слоев загрязнений, то полное термическое сопротивле­ние теплопередаче можно записать в следующем виде:

при отнесении теплового потока к единице площади полной поверхности теплообмена F_г на стороне горячего теплоносителя

(17.11а)

при отнесении теплового потока к единице площади полной поверхности теплообмена F_x на стороне холодного теплоносителя

(17.11б)

Под площадью полной поверхности подразумевается площадь тепловоспринимающей или теплоотдающей поверхности, омываемая горячим или холодным теплоносителем и включающая в себя площади ребер и любой другой развитой поверхности. Площадь поверхности F соответствует средней площади основной или так называемой первичной поверхности, которая является базой для устройства на ней ребер, турбулизаторов и т. д., используемых для интенсификации теплоотдачи.

Если дополнительная развитая поверхность отсутствует и теплообменник изготовлен, например, из гладкостенных труб, то F=(F_г+F_x)/2 и в этом случае коэффициенты эффективности полных поверхностей теплообмена _ог и _ох равны 1.

Если же поверхность теплообмена дополнительно развита, например оребрена, то из-за снижения температуры поверхности ребер по сравнению с температурой основной поверхности коэффициент эффективности развитой поверхности снижается.

Эффективность полной поверхности теплообмена можно рассчитать так:

,

где _p — эффективность ребра (см. § 47).

Коэффициенты теплопередачи _г и _х рассчитываются по формулам, приведенным в гл. 15, а также в § 61.