Глава 5 теплообмінні апарати

На практиці широко розповсюджені теплообмінні апарати для передачі теплоти від одного теплоносія до іншого.

По принципу дії теплообмінні апарати підрозділяються на рекуперативні, регенеративні та змішувальні.

Рекуперативні - апарати, у котрих гаряча і холодна рідина протікають одночасно і теплота передається від одного теплоносія до іншого через розділяючу їх стінку ( парові котли, рекуперативні повітронагрівачі нагрівальних печей, радіатори теплообмінних батарей та ін.).

Регенеративні – апарати, у яких одна і та ж сама поверхня нагріву деякого об’єкта поперемінно обмивається то гарячим, то холодним теплоносієм. При протіканні гарячого агента теплота сприймається стінками апарата і в них акумулюється. При протіканні холодного теплоносія ця акумульована

теплота передається цьому носію ( регенератори мартенівських та доменних печей і т.ін.).

Рекуперативні та регенеративні теплообмінні апарати називаються поверхневими, передача теплоти в них обов’язково пов’язана з поверхнею твердого тіла.

Змішувальні – апарати, у яких процес теплопередачі відбувається шляхом змішування гарячої та холодної рідин, тобто одночасно з масопереносом

( градирні, скрубера та ін.).

Спеціальні назви апаратів визначаються їх призначенням ( парові котли, теплообмінники печей, водонагрівачі, пароперегрівачі, конденсатори та ін.).

Разом з тим, загальне призначення усіх теплообмінних апаратів полягає в передачі теплоти від одного теплоносія до іншого. У зв’язку з цим основні положення типового розрахунку для них залишаються загальними.

Розглянемо принцип розрахунку рекуперативних теплообмінних апаратів ( р.т.а).

При розрахунках цих апаратів виникають дві задачі:

1. якщо проектується новий апарат, кінцевою метою розрахунку є визначення площі теплообмінної поверхні;

2. якщо апарат уже діє, треба визначити кінцеву температуру робочої рідини.

Основними розрахунковими рівняннями у обох випадках при цьому є:

, Вт ( 5.1 )

, Вт ( 5.2 )

де

Q – теплова потужність апарата;

k - коефіцієнт теплопередачі;

t₁ – середня за процес температура гарячого теплоносія;

t₂ – середня за процес температура холодного теплоносія ;

- середній температурний напір між теплоносіями;

- швидкість гарячого теплоносія, м/с;

f₁ – площа поперечного перерізу, через який протікає гарячий теплоносій;

- об^.ємна витрата гарячого теплоносія, м³/с;

- густина гарячого теплоносія, кг/м³;

- середня масова теплоємкість ізобарного процесу в інтервалі температури t₁ і t₂ ( вважаємо, що теплопередача відбувається в ізобарному процесі),

Дж/ кг К;

- масова витрата гарячого теплоносія, кг/с;

- теплоємкість секундної витрати гарячого теплоносія, Вт/К;

- початкова температура гарячого теплоносія;

- кінцева температура гарячого теплоносія.

Позначення із виразу (5.2), що мають індекс 2, характеризують ті ж величини, але відносяться до холодного теплоносія.

На характер зміни температури робочих рідин вздовж поверхні теплообміну впливає схема їх руху і співвідношення їх водяних еквівалентів.

Відрізняють наступні схеми руху потоків:

п рямотік – гаряча і холодна рідини протікають паралельно і в одному напрямку

противотік – рідини протікають паралельно у протилежних напрямках

перехрестний тік – рідини протікають у перехресному напрямку

Окрім вказаних схем руху теплоносії на практиці мають місце більш складні схеми: одночасно прямотік і противотік, багаторазовий перехрестний тік та ін.

Нижче показана зміна температури при прямотоці та противотоці вздовж шляху руху

Рисунок 5.1. Зміна температури теплоносіїв при різних схемах потоків

Маємо - водяний еквівалент – кількість води , що по теплоємкості еквівалента теплоємкості секундної витрати теплоносія

, (5.3 )

Із наведених схем видно, що при противотоці кінцева температура холодного теплоносія при всіх інших однакових умовах більша, ніж при прямотоці. Відповідно, для досягнення деякої температури при прямотоці потрібна, а відповідно, потрібен більш громіздкий теплообмінник, ніж при противотоці.

Для розрахунків рекуперативних теплообмінників необхідно знайти величину середнього за процес температурного напору . Виявляється, він має різні значення при прямотоці та противотоці.

Застосовуються два способи усереднення температурного напору:

середньоарифметичний

; ( 5. 3 )

середньологарифмічний

( 5.4 )

де

- прямотік;

- противотік;

- прямотік;

- противотік.

Використовуючи рівняння теплового балансу

,

можна визначити

( 5.5 )

тобто зміна температури теплоносіїв обернено пропорційно їх водяним еквівалентів.