738

тий могут использоваться стекловидные материалы, которые имеют хорошие

ю щ и е м а т е р и а л ы . Так, теплота сублимации равна сумме теплот плавления и испарения, а получающийся при сублимации пар существенно уменьшает интенсивность теплообмена между горячим газом и стенкой.

9.6. Теплообменные аппараты

9.6.1. Устройство и классификация теплообменных аппаратов

Технические устройства, в которых осуществляется процесс теплопередачи от одного теплоносителя к другому, называются т е п л о - о б м е н н ы м и а п п а р а т а м и .

По своему назначению и конструктивному выполнению они весьма разнообразны, но по принципу действия их подразделяют на три типа:

1)р е к у п е р а т и в н ы е теплообменные аппараты (“рекуперация” с лат. – “получение вновь”);

2)р е г е н е р а т и в н ы е теплообменные аппараты (“регенерация” с лат. – “восстановление”, “возрождение”);

3)с м е с и т е л ь н ы е теплообменные аппараты.

В рекуперативных аппаратах теплота от горячего теплоносителя передается холодному через разделяющую их стенку. К таким аппаратам относятся паровые котлы, радиаторы, конденсаторы. Схема простейшего кожу-

161

Врегенеративном теплообменнике (рис. 9.8) одна и та же поверхность, называемая н а с а д к о й, омывается поочередно то горячим, то холодным теплоносителем. При соприкосновении с горячим теплоносителем насадка аккумулирует тепло, а затем отдает его холодному теплоносителю. Происходит периодическая регенерация: то охлаждение, то нагревание насадки.

Естественно, что чем больше поверхность теплообмена и теплоемкость насадки, тем эффективнее теплообменник. Теплообменники такого рода нашли широкое применение в металлургической промышленности.

Всмесительных теплообменных аппаратах (рис. 9.9), процесс переноса теплоты осуществляется при перемешивании теплоносителей с разной температурой. Эти аппараты просты и компактны, они применяются там, где не требуется последующее разделение теплоносителей (например, нагрев воды водяным паром). Типичным примером могут служить различного рода градирни ТЭЦ..

Несмотря на разнообразие конструкций и областей применения, во всех теплообменных аппаратах в принципе осуществляется один и тот же процесс: передача тепла от более нагретого теплоносителя к менее нагретому, поэтому основные положения теплового расчета для них являются общими. Рассмотрим последовательность расчета на примере рекуператора.

162

7.6.2. Основы теплового расчета рекуперативного теплообменника Различают проектировочный и проверочный расчеты теплообменного

аппарата. Цель проектировочного расчета состоит в определении величины рабочей поверхности F теплообменника. При этом считаются известными количество передаваемого тепла Q , массовые расходы теплоносителей m1

Обозначим параметры теплоносителей на входе в теплообменник одним штрихом, а на выходе – двумя штрихами. Изменение температур теплоносителей для рекуператора с прямотоком показано на рис. 9.9 а, с противотоком – на рис. 9.9 б.

При противотоке же температура холодного теплоносителя на выходе из теплообменника может быть выше температуры горячего, т.е. t"2 > t"1

.

Это объясняется тем, что при противотоке холодный теплоноситель на своем пути воспринимает теплоту от горячего теплоносителя все с более и более высокой температурой. Следовательно, при одной и той же начальной температуре холодный теплоноситель в теплообменнике с противотоком можно

163

нагреть до более высоких температур. Это преимущество противоточных теплообменников широко используется в технике.

При расчете рекуперативных теплообменников основными уравнения-

где к – коэффициент теплопередачи; F – поверхность теплопередачи;

t1 и t2 – значения температур горячего и холодного теплоносителей. Выражение (9.15) справедливо, если теплоносители имеют постоянную

температуру, например при конденсации и кипении. Так как эти значения температур по длине теплообменника переменны, то в уравнение (9.15) вво-

Эти уравнения служат основой проектировочного и проверочного расчетов теплообменника.

При проектировочном расчете поверхность теплообменника определяется из уравнения (9.15). Значение t ср вводится в расчет как среднеарифметическая величина температурного напора, либо как среднелогарифмиче-

При этом погрешность расчета будет несущественной.

мический температурный напор в виде:

Для схем перекрестного тока и других более сложных схем движения теплоносителей средний температурный напор вычисляют с помощью выражения:

t ср = t t ср л ,

164

Рис. 9.10

Проверочный расчет выполняется для теплообменника с известной величиной рабочей поверхности. Цель расчета состоит в определении температур теплоносителей на выходе из теплообменника и количества передаваемого тепла.

Из уравнений (9.12) и (9.14) получим:

Теплопередача в теплообменном аппарате зависит от многих факторов, в частности, от скорости движения теплоносителей, от формы и размеров поверхности нагрева. Форма поверхности часто определяется назначением аппарата. Что касается скорости, то, казалось бы, увеличивая ее, можно как угодно интенсифицировать теплопередачу и тем сократить размеры теплообменника, но с увеличением скорости растет гидравлическое сопротивление, следовательно, и мощность, требуемая на его преодоление. Поэтому вопрос о компоновке поверхности нагрева, а также об искусственной интенсификации теплопередачи должен решаться с учетом связи между интенсивностью теплообмена и потребной мощностью на подачу теплоносителей.

Следовательно, в задачу расчета входят также выбор оптимальной формы и компоновки поверхностей нагрева и установление наивыгоднейшей скорости движения теплоносителей.

165

9.7 Тепловые трубы

К новым типам теплопередающих устройств необходимо отнести так называемые т е п л о в ы е т р у б ы . Устройство и принцип действия тепловой трубы рассмотрим на примере одной из ее разновидностей, представленной на рис. 9.11. Тепловая труба имеет герметичный корпус 1, на внутренней поверхности которого расположен капиллярно-пористый материал – ф и т и л ь 2 , пропитанный жидким теплоносителем. Корпус обычно выполняют из круглой трубы (но имеются и плоские тепловые трубы). Тепловой поток подводят к участку корпуса на одном из концов тепловой трубы. Внутри трубы на этом участке теплоноситель, пропитывающий фитиль, испаряется, и его пары 3 движутся по центральной части трубы к охлаждаемому участку, где они конденсируются.

1

2

Рис. 9.11

Жидкая фаза по фитилю под действием капиллярных сил возвращается в зону испарения. Чрезвычайно теплоемкие процессы парообразования и конденсации обеспечивают очень высокую плотность тепловых потоков, достигающих нескольких кВт/см2, в диапазоне температур от 200 до +2500 оС. Тепловые трубы способны передавать в сотни раз больше теплоты на единицу массы, чем такие металлы, как медь и серебро (теплопроводность тепловой трубы в 1000 раз больше, чем меди).

Классифицируют тепловые трубы по следующим признакам. 1) По температурному диапазону:

2)По виду теплоносителей:

–металлические (калий, натрий, серебро и др.);

166

–неметаллические (вода, аммиак, фреоны, криогенные жидкости, высокотемпературные органические теплоносители и др.).

3)По форме оболочек и фитилей:

–цилиндрические,

–плоские,

–коаксиальные,

–кольцевые.

4)По роду материала оболочек и фитилей:

–алюминиевые трубы с сетчатым фитилем из нержавеющей стали или алюминиевой металлокерамики;

–медные трубы с фитилем из медной сетки, войлока, керамики. Факторами, характеризующими работу тепловой трубы и определяю-

щими ее эффективность, являются:

1)Перенос теплоносителя в капиллярнопористом фитиле, т.е. работа капиллярного насоса;

2)Теплосъем путем испарения теплоносителя из капиллярнопористого

тела;

3)Гидродинамика процесса переноса массы в паровой фазе от испарителя к конденсатору;

4)Теплоотдача при конденсации пара на пористую поверхность и отвод тепла теплопроводностью через фитиль и стенку трубки.

Любой из вышеуказанных факторов может оказаться лимитирующим, однако наиболее узким местом в успешном использовании тепловых трубок являются первые два фактора.

Получить аналитические зависимости для вычисления передаваемой тепловой трубой плотности теплового потока весьма сложно, так как необходимо учитывать динамику потока жидкости и пара, кинетику фазовых переходов на поверхности раздела жидкость – пар, перенос энергии в капил- лярно-пористых телах. По этой причине в настоящее время применяются различные полуэмпирические зависимости, [8].

Наиболее широкие возможности применения тепловых труб в системах теплопередачи Например, в двигателях стирлинга для регенерации теплоты; для охлаждения масла в картерах ДВС и парообразования бензина; для охлаждения сжатых газов в компрессорных станциях; в различного рода бытовых теплообменниках и д.р.

167

Библиографический список

1. Алексеев Г.Н. Общая теплотехника. Г. Н. Алексеев. – М.: Высш. шк.,

1980. – 552 с.: ил.

2.Амерханов Р.А. Теплоэнергетические установки и системы сельского хозяйства. Р.А. Амерханов, А.С. Бессараб, Б.Х. Драганов., С.П. Рудобашта, Г.Г. Шишко. /Под ред. Б.Х. Драганова. – М.: Колос-Пресс, 2002. – 424 с.: ил.

3. Драганов Б.Х. Теплотехника и применение теплоты в сельском хозяйстве. Б.Х. Драганов А.В. Кузнецов, С.П. Рудобашта. – М.: Агропромиздат,

1990. – 463 с.: ил.

4 .Исаченко В.П. Теплопередача. В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. – М.: Энергоиздат, 1981 –.416 с.: ил.

5. Кузнецов А.В. Основы теплотехники, топливо и смазочные материалы. А.В. Кузнецов, С.П. Рудобашта, А.В. Симоненко – М.: Колос, 2001. –

248с.:ил.

6.Михеев М.А. Основы теплопередачи. М.А. Михеев, И.М. Михеева.–

М.: Энергия, 1973. –320 с.: ил.

7.Мухачев Г.А.. Термодинамика и теплопередача. Г.А. Мухачев,

В.К. Щукин. – М.: Высш. шк., 1991. –.480 с.: ил.

8.Оболенский Н.В. Холодильное и вентиляционное оборудование. Н.В. Оболенский, Е.А. Денисюк – М.: КолосС, 2006. –248 с.ил.

9.Архаров А.М Теплотехника: Учеб. для втузов / А.М. Архаров,

[и д.р.]; под общ. ред. В.И.Крутова.– М.: Машиностроение, 1986. – 432 с.: ил. 10.Баскаков. А.П Теплотехника: Учеб. для вузов / А.П Баскаков, [и др.];

под ред. А.П Баскакова. – М.: Энергоатомиздат, 1981. – 224 с.: ил. 11.Луканин В.Н. Теплотехника: Учеб. для вузов / В.Н. Луканин, [и др.];

под ред. В.Н.Луканина. – М.: Высш. шк., 2002. –671 с.: ил.

12.Теплоэнергетика и теплотехника: Справочник / под общей ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергия, 1980. – 530 с.: ил.

13.Термодинамические и теплофизические свойства продуктов сгорания: Справочник / В.Е Алемасов, [и др]; под ред. академика В.П. Глушко.

Т.3. М.: АН СССР, 1973. – 623 с.

168

ПРИЛОЖЕНИЕ

Продолжение таблицы 1

170