3. Теплообменные аппараты

1. Класификация теплообменных аппаратов

Теплообменные аппараты (теплообменник) – это устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды (жидкости или газа) к другой. 

Чаще всего в теплообменных аппаратах (ТОА) осуществляется передача теплоты от одного теплоносителя к другому, т.е. нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого.

Теплообменники с двумя теплоносителями по принципу действия подразделяются на три основные группы:

1) рекуперативные;

2) регенеративные;

3) смесительные

1) Рекуперативные ТОА - аппараты, в которых теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку.

Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника. Она выполняется из материала с хорошей теплопроводностью ( меди, стали, латуни, сплавов алюминия и т.д.).

Наиболее распространены трубчатые теплообменники, в которых один теплоноситель движется в трубах, а другой в межтрубном пространстве. В таких ТОА горячий и холодный теплоносители не контактируют, поэтому можно использовать самые разнообразные их сочетания.

Рекуперативные теплообменники подразделяются в зависимости от направления движения теплоносителей на:

а) прямоточные - если теплоносители движутся в одинаковом направлении;

б) противоточные - если теплоносители движутся в противоположном направлении;

в) с перекрестным током - если теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях. Возможен многократный перекрестный ток.

На практике встречаются более сложные схемы движения теплоносителей , включающие различные комбинации основных .

К рекуперативным теплообменникам можно отнести также теплообменники с промежуточным теплоносителем.

2. Регенеративные ТОА- аппараты , в которых поверхность нагрева периодически омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При этом теплота, отнимаемая от греющего теплоносителя, периодически передается нагреваемой среде. В качестве поверхности нагрева в таких теплообменных аппаратах используется твердый, достаточный массивный материал (кирпичи, различные засыпки, листы металла). Режим работы генераторов в отличии от рекуператоров нестационарный, периодический.

3. Смесительные ТОА - аппараты, в которых теплота передается при непосредственном смешении охлаждаемой и нагреваемой среды (контактные теплообменники). Они просты и компактны.

Используются смесительные теплообменники для легко разделяющихся теплоносителей их тщательно перемешивают, жидкости разбрызгивают или разбивают на мелкие струи.

Из всех типов теплообменников наиболее широкое распространение получили рекуперативные.

2. Основы расчета теплообменного аппарата

Сущность расчета любого теплообменного аппарата - совместное решение уравнений теплового баланса и теплопередачи.

1) Уравнения теплового баланса

Тепловой поток Q₁, отраженный в теплообменнике горячим теплоносителем при его охлаждении от температуры t₁^' до t₁^" равен:

Q₁=m₁(C_p1^'t₁'-C_p1^"t₁^"), кДж

где индекс 1 относится к горячему теплоносителю;

m - массовый расход теплоносителя , кг/с;

C_p^' и C_p^" - теплоемкости соответственно на входе и выходе теплообменного аппарата, кДж\(кг град);

t' и t^" - температура теплоносителя соответственно на входе и выходе теплообменного аппарата , C.

Из-за потерь ( до 10% ) второму теплоносителю передается не вся теплота Q₁, а часть ее Q₂=Q₁ ( - КПД теплообменника)

Тогда уравнение теплового баланса будет иметь вид :

Q₂=Q₁ или

,

2) Уравнение теплопередачи .

В простейших случаях , когда поверхность теплообмена можно считать плоской (тонкие стенки трубок рекуперативных ТОА практически всегда считают плоскими) , можно записать уравнение теплопередачи :

,

где К - коэффициент теплопередачи через поверхность;

- среднее по поверхности значение температурного напора (t₁-t₂). Изменения температурного напора показаны на рисунке ниже.

Если жидкость 1 входит в теплообменник с температурой , а выходит с температурой , ее средняя температура .

Аналогично для жидкости 2 имеем: .

При прямоточном движении теплоносителей разность их температур на входе и выходе составляет:

При противоточном движении теплоносителей разность их температур на входе и выходе составляет:

Для расчета берется среднелогарифмическая разность температур:

.

Эта формула справедлива для любых схем движения теплоносителей.

Если < 1,5 , то можно использовать среднеарифметическую разность температур:

Пользоваться среднеарифметическим значением можно только при < 1,5, когда ошибка составляет не более 4% ; что допустимо для технических расчетов.

Следует заметить, что среднелогарифмический напор всегда меньше среднеарифметического: t<t_cp.