40

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Теплообменные аппараты (теплообменники, в литературе используется сокращение ТА) – устройства, предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В качестве теплоносителей, как правило, выступают жидкости, газы, пары. ТА очень широко распространены, в частности, на каждой ТЭС имеются десятки ТА. Они разнообразны по назначению и исполнению.

Классификация ТА

Классификация по назначению

ТА можно разделить на четыре группы: подогреватели, охладители, испарители, конденсаторы. Более конкретно назначение характеризуется названиями. Например, на ТЭС используются маслоохладители, пароперегреватели, водоподогреватели, парогенераторы, деаэраторы, мазутоподогреватели, воздухоподогреватели и т.д.

Классификация по принципу действия

Имеется три основных вида.

Рекуперативные ТА – в них теплоносители разделены стенкой, омывая которую они обмениваются теплотой. Об этих ТА подробнее ниже.

Регенеративные ТА – в них одна и та же твёрдая поверхность поочерёдно омывается то горячим, то холодным теплоносителем, соответственно, сначала забирая теплоту от горячего теплоносителя, а потом отдавая её холодному. Применяются переключающиеся аппараты, через которые теплоносители прокачиваются поочерёдно (так что обычно используются параллельно два аппарата). Это воздухоподогреватели доменных, сталеплавильных и др. печей. Часто используются аппараты, содержащие роторы, насадка (теплообменная поверхность) которых при вращении ротора поочерёдно попадает в камеры с двумя теплоносителями. Это воздухоподогреватели на ТЭС, а также воздухоподогреватели газотурбинных двигателей и т.п.

Рекуперативные и регенеративные аппараты относятся к поверхностным ТА, так как теплообмен между теплоносителями происходит через посредство твёрдой поверхности.

В смесительных (контактных) ТА передача теплоты происходит при непосредственном контакте и смешении теплоносителей. Здесь теплообмен, как правило, сопровождается массообменном (испарение, растворение и т.п.). Пример – градирни (в частности, на ТЭС). Разумеется, в таких ТА теплоносители должны легко разделяться после теплообмена (пусть не полностью).

Бывают также сложные ТА – с промежуточным теплоносителем, на тепловых трубах и др.

Классификация по направлению потоков

В прямоточных ТА теплоносители текут в одном направлении.

В противоточных – навстречу друг другу.

Часто, особенно в рекуперативных ТА, схема движения более сложная – с перекрёстным током, бывают смешанные, комбинированные схемы и т.д.

Применяются и другие виды классификации ТА.

Рекуперативные теплообменники

Такие ТА наиболее распространены – в них теплоносители полностью разделены, они не содержат движущихся механических частей, могут работать в непрерывном установившемся режиме.

Рекуперативные ТА можно классифицировать по конфигурации теплообменной поверхности (стенки): пластинчатые, трубчатые, змеевиковые и др. Наиболее распространены трубчатые (или на основе труб). В них теплоносители текут один внутри, другой – снаружи труб. В пластинчатых рабочая поверхность состоит из набора параллельных пластин, в каналах между которыми текут теплоносители. Пластинчатые теплообменники имеют более высокие удельные характеристики, но они сложнее в изготовлении и эксплуатации.

Как правило, ТА имеет много каналов, работающих параллельно или параллельно-последовательно. Например, в кожухо-трубчатых – пучок близко расположенных трубок, внутри течёт один теплоноситель, снаружи – другой. Аналогично – в пластинчатых ТА. Бывают также схемы «труба в трубе» и др.

По направлению потоков различают, как уже отмечалось выше, прямоточные – теплоносители текут в одну сторону, противоточные – в противоположные, с перекрёстным током – внешний поток обтекает трубы (в трубчатом ТА) поперёк. Возможен однократный и многократный перекрёстный ток (схемы на рис. ). Возможны и другие, комбинированные схемы (рис. ), например «маслоохладитель с двумя ходами по воде и двумя – по маслу» (рис. ).

Расчёт рекуперативных та

Будем рассматривать вопросы расчёта установившегося режима трубчатых или пластинчатых ТА с простой схемой – прямоточных и противоточных (частично – с перекрёстным током).

Расчёт называется конструкторским (проектировочным), если определяется площадь рабочей поверхности (за счёт длины каналов) по заданным расходам теплоносителей и изменению их температуры. Проверочным (поверочным) – расчёт конечных температур при заданных размерах рабочей поверхности (и, разумеется, расходах и начальных температурах теплоносителей).

Таким образом, в обоих случаях считаются заданными теплофизические характеристики теплоносителей, их массовые расходы и , их исходные (входные) температуры и (а также входные давления и ). В конструкторском расчёте задана конечная температура основного теплоносителя (например, ), надо найти площадь рабочей поверхности. В проверочном, наоборот. Одновременно определяются и другие характеристики: выходная температура второго теплоносителя , тепловой поток , Вт, передаваемый от одного теплоносителя к другому, а также выходные давления и , затраты мощности и , Вт, на прокачку теплоносителей через аппарат и др.

Основные уравнения

Уравнение теплового баланса. Для определённости далее будем считать, что индекс ₁ относится к характеристикам горячего теплоносителя, а индекс ₂ – холодного, причем теплоноситель ₁ – основной. Условие теплового баланса для них записывается в виде

,

где – теплота, отдаваемая теплоносителем ₁ , Вт,

– теплота, воспринимаемая теплоносителем ₂ , Вт,

– потери теплоты в окружающую среду.

Очевидно, ,

,

где для каждого теплоносителя

– массовый расход, кг/с,

– изменение удельной энтальпии теплоносителя в аппарате, Дж/кг,

– средняя удельная теплоёмкость теплоносителя, Дж/(кг·К),

– изменение температуры теплоносителя в аппарате, Дж/кг, , .

Далее для простоты будем пренебрегать потерями теплоты , принимая . Для расчётов удобно ввести величину , Вт/К. Она называется расходная теплоёмкость или полная теплоёмкость массового расхода (иногда её называют водяным эквивалентом). Тогда уравнение теплового баланса (то есть сохранения тепловой энергии) можно записать в форме

. (1)

По (1) видно, что если один теплоноситель имеет намного бóльшую расходную теплоёмкость , то изменение его температуры будет небольшим .

Это соотношение справедливо не только для аппарата в целом, но и для любого элемента его поверхности (рис. )

, (1э)

где , – расход теплоносителя через элемент.

Уравнение теплопередачи. Теплопередача – обмен теплотой между двумя жидкостями (теплоносителями) через разделяющую их стенку – как раз и имеет место в рассматриваемых рекуперативных ТА. Ранее при изучении тепловодности через стенку для теплопередачи была получена формула , где обозначалось – температурный напор, разность температур жидкостей, – коэффициент теплопередачи. Здесь температуры теплоносителей уже основные, и обозначаются не , а и , поэтому теперь температурный напор . Тогда тепловой поток через элемент рабочей поверхности запишется

. (2э)

В разных элементах ТА эти величины могут различаться, и всего в ТА . То есть можно принять за уравнение теплопередачи

, (2)

где и – осреднённые по значения локальных и .

Можно отметить, что если уравнение баланса (1) выражает лишь условие сохранения тепловой энергии и, по существу, не связано непосредственно с устройством аппарата, то уравнение теплопередачи (2) учитывает организацию теплообменных процессов в ТА через , , .

Для расчёта температур по уравнениям (1), (2) нужно уметь определять значения и .