5. Оросительные теплообменники

Такой теплообменник представляет собой трубу с прямоугольными витками, расположенными в вертикальной или горизонтальной плоскостях. 

Р исунок 5 – Схема оросительного теплообменного аппарата

Снаружи труба омывается жидкостью, которая вытекает из регулируемой щели на верхний виток трубы и стекает на нижние витки. Жидкость, омывающая трубки, нагревается или охлаждается в зависимости от температуры среды, протекающей внутри трубы. 

Внутри труб происходит конвективный теплообмен нагреваемой или охлаждаемой жидкости, или конденсация пара. Снаружи труб – теплоотдача при орошении труб, возможно, испарением жидкости.

6. Теплообменники с плоскими поверхностями нагрева

К этим теплообменникам относятся различные ребристые, пластинчатые и другие теплообменники.

Оребрение поверхности производят с той стороны, где коэффициенты теплоотдачи меньше, и оно обеспечивает большую поверхность контакта.

Ребристый теплообменник, который называют калорифером, представляет собой две коробки, плоскости которых соединены рядом трубок, имеющих наружную ребристую поверхность. Через входной патрубок поступает вода или пар, которые заполняют коробки и трубки; через другой патрубок выходит вода или конденсат; между рёбрами трубок проходит воздух или газ, поток которых ограничен с боковых сторон калорифера плоскими листами.

Р исунок 6 – Схемы теплообменных аппаратов с плоскими поверхностями

В молочной промышленности получили распространение пластинчатые жидкостные теплообменники; их собирают из пакетов стальных штампованных пластин, имеющих последовательно соединённые каналы.

Обогреваемая жидкость входит через отверстие в диагонально противоположном углу; с другой стороны пластины вторая рабочая среда движется аналогично – противотоком.

3. Расчёт теплообменных аппаратов

Различают два вида расчёта теплообменных аппаратов – проектный и поверочный.

Проектный тепловой расчёт производится для того, чтобы определить:

а) тепловую нагрузку и расход рабочих сред;

б) среднюю разность температур и средние температуры теплоносителей (рабочих сред), а также, при необходимости, начальные и конечные значения температур теплоносителей;

в) коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата;

г) поверхность теплообмена теплообменника.

Поверочный тепловой расчёт производится для существующего теплообменного аппарата с целью определения его коэффициента теплопередачи, конечных значений температур теплоносителей и определений расходов тепла и теплоносителей.

В тепловых процессах теплоносители, участвующие в передаче теплоты, часто разделены перегородкой (стенкой аппарата, стенкой трубы и т.п.). Процесс теплопередачи включает перенос теплоты от ядра потока первого теплоносителя к стенке (теплоотдача), через стенку (теплопроводность) и от стенки к ядру потока второго теплоносителя (теплоотдача). Распределение температуры при передаче теплоты от одного теплоносителя к другому через разделяющую стенку при установившемся режиме движения изображено на  рис.7.

Рисунок 7 – Распределение температур при теплопередаче

Количество передаваемой теплоты при этом определяется основным уравнением теплопередачи.

Для стационарного режима:

, (1)

где Q – расход теплоты, Вт; k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); F – площадь теплопередающей поверхности аппарата (поверхность нагрева), м²; Δt_ср – средняя разность температур теплоносителей, °С.

Коэффициенты теплопередачи и теплопроводности находятся в следующей зависимости:

(2)

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м·К (значения коэффициентов теплопроводности некоторых материалов см. в приложении 1); δ – толщина стенки поверхности теплопровода, м.

Мощность теплового потока на 1 м²

, (3)

где q – удельная мощность теплового потока, Вт/м².

Коэффициент теплопередачи показывает, какое количество теплоты переходит в единицу времени от более нагретого к менее нагретому теплоносителю через 1 м² теплообменной поверхности при разности температур между теплоносителями 1 К.

При передаче теплоты через однослойную плоскую стенку, коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле:

(4)

где δ_ст – толщина стенки, м; λ_ст – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м·К); α₁ и α₂ – коэффициенты  теплоотдачи, соответственно, от горячего теплоносителя к разделяющей стенке и от стенки к холодному теплоносителю, Вт/(м²·К).

Для многослойной стенки, состоящей из n слоев:

(5)

Для расчета тепловых потерь аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, при температуре поверхности аппарата до 150 °С можно пользоваться приближенной формулой:

(6)

где t₁, t₂ – температуры соответственно поверхности аппарата и окружающего воздуха.

Тепловой баланс теплообменного аппарата без изменения агрегатного состояния теплоносителей

, (7)

где G₁, G₂ – соответственно расход горячего и холодного теплоносителей, кг/с; с₁, с₂ – соответственно теплоемкость горячего и холодного теплоносителей, Дж/(кг·К); t₁^н, t₁^к – соответственно начальные и конечные температуры горячего теплоносителя; t₂^н, t₂^к – соответственно начальные и конечные температуры холодного теплоносителя; Q_пот – расход теплоты в окружающую среду (для теплоизолированных аппаратов Q_пот = 5 %).

При расчете средней движущей силы процесса теплопередачи целесообразно использовать график изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена (рис. 8).

Рисунок 8 – Графики изменения температур в процессе теплообмена без изменения агрегатного состояния теплоносителей: а – прямоточное движение теплоносителей; б – противоточное движение теплоносителей

Средняя разность температур теплоносителей (средний температурный напор) для формул (1) и (3)

; (8)

если Δt_б / Δt_м< 2, можно применять формулу

, (9)

где Δt_б и Δt_м – большая и меньшая разности температур теплоносителей на концах поверхности теплообмена.

П ри прямоточном движении теплоносителей

₍₁₀₎

При противоточном движении теплоносителей

₍₁₁₎

Задачи

1. Определить коэффициент теплопроводности стенки толщиной 20 мм и ее материал, если средняя разность температур теплоносителей составляет 30 ºС, удельная мощность теплового потока 150 Вт/м².

2. Определить количество теплоты, проникающей через стенку шлакобетона толщиной 0,5 м, длиной 20 м и шириной 3,5 м, если температура на внутренней поверхности стенки 15 ºС, на наружной – (- 10) ºС.

3. Определить средний температурный напор при противотоке, если в межтрубном пространстве движется горячий теплоноситель с начальной и конечной температурами 60 и 30 ºС соответственно, а по трубам – холодный теплоноситель с начальной и конечной температурами 25 и 32 ºС соответственно.

4. Тепло установки используется для подогрева поступающего продукта, причем температура теплоносителя изменяется от 104 до 70 ºС, а продукта – от 20 до 60 ºС. Определить среднюю разность температур в процессе теплообмена для прямоточного и противоточного движения теплоносителей.

5. В сушильную камеру со стенками толщиной 250 мм из строительного кирпича с горячим воздухом подводится тепловой поток 585 кВт; 95 % этого количества теплоты используется для сушки и затем отводится с рециркулирующим воздухом, а остальное теряется через стенки камеры с поверхностью 220 м². Температура на наружной поверхности камеры 40 ºС. Найти температуру на внутренней поверхности камеры.

6. Аппарат диаметром 2 м и высотой 5 м покрыт слоем теплоизоляции из асбеста толщиной 75 мм. Температура стенки аппарата 146 °С, температура наружной поверхности изоляции 40 °С. Определить расход теплоты (тепловой поток) через слой изоляции.

7. Стенка печи состоит из двух слоев: огнеупорного кирпича (δ₁ = 500 мм) и строительного кирпича (δ₂ = 250 мм). Температура внутри печи 1300 °С, температура окружающего пространства 25 °С. Определить: а) мощность теплового потока с 1 м² поверхности стенки. Коэффициент теплоотдачи от печных газов к стенке α₁ = 34,8 Вт/(м²·К); коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху α₂ = 16,2 Вт/(м²·К).

8. Определить необходимую толщину слоя изоляции аппарата, внутри которого температура 154 °С. Изоляционный материал – стекловата. Температура окружающего воздуха 20 °С. Температура наружной поверхности изоляции не должна быть выше 40 °С.