2.18. Типы теплообменных аппаратов

Теплообменный аппарат (теплооб­менник) - это устройство, предназна­ченное для нагревания, охлаждения или для изменения агрегатного состояния теплоносителя.

Теплообменники с двумя теплоноси­телями в зависимости от способа переда­чи теплоты от одного теплоносителя к другому можно разделить на несколько типов:

1. Смесительные. В них смешиваются теплоносители, не требующие дальнейшего разделения (например, при подогреве воды паром);

2. Рекупе­ративные. Теплота от одного теплоносителя к друго­му передается через разделяющую их стенку. Для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводно­стью: меди, стали, латуни, сплавов алю­миния и т. д.

3. Регенеративные и с промежуточным теплоно­сителем. Теплота от одного тепло­носителя к другому переносится с по­мощью какого-то третьего - вспомога­тельного вещества. Это вещество (про­межуточный теплоноситель - листы металла, кирпичи, различные засыпки) нагревается в потоке горячего теплоносителя, а затем отдает аккумулированную теплоту хо­лодному теплоносителю. Для этого не­обходимо либо переносить сам промежу­точный теплоноситель из одного потока в другой, либо периодически переклю­чать потоки теплоносителей в теплооб­меннике периодического действия

2.19. Методика теплового расчета теплообменных аппаратов

Общим уравнением при расчете теп­лообменника любого типа является уравнение теплового балан­са - уравнение сохранения энергии.

Тепловой поток Q₁, отданный в теплооб­меннике горячим теплоносителем (ин­декс 1), например, при его охлаждении от температуры до , равен

, (2.7)

где m - массовый расход теплоносителя.

Несколько процентов (обычно 1 - 10 %) от Q₁ теряется в окружающую среду через стенки теплообменника, а ос­новная часть

Q₂ = ηQ₁

передается второму теплоносителю (индекс 2).

КПД теплооб­менника η учитывает потери тепла в окружающую среду, через его наружную поверхность.

Теп­ловой поток Q₂, получаемый холодным теплоносителем можно рассчитать через разность энтальпий по аналогии с урав­нением Q₁:

. (2.8)

Данное уравнение теплового баланса по­зволяет найти один неизвестный пара­метр: либо расход одного из теплоноси­телей, либо одну из температур. Все остальные параметры должны быть из­вестны.

Тонкие стенки трубок рекуператив­ных теплообменников практически всег­да считаются плоскими, поэтому повер­хность F, необходимая для передачи теп­лового потока Q₂ от горячего теплоноси­теля к холодному, определяется из при­ближенного уравнения, согласно которому

Q₂ =kF(t₁ — t₂) = kFΔt. (2.9)

При выводе уравнения пред­полагалось, что температуры теплоноси­телей t₁ и t₂ постоянны, а между тем они изменяются по длине теплообменника. В расчете, очевидно, нужно использовать среднеинтегральную по длине теплообменника разность темпера­тур теплоносителей:

. (2.10)

Рис. 2.10. Схемы движения теплоносителей в

теплообменниках:

а– противоток;б– прямоток.

Пользоваться среднеарифметическим значением =0,5() можно только в случае, когда <2. По­грешность не будет превышать 4 %.

В остальных случаях необходимо пользоваться среднелогарифмическим значением

,

где Δt_б и Δt_м - это большая и меньшая разницы температур между теплоносителями на концах теплообмен­ника, ⁰С.

На практике чаще используются противоточные схемы движения, поскольку при одинаковых температурах входящих и выходящих теплоносителей при про­тивотоке всегда больше, чем при прямо­токе.

Еще одно преимущество противоточного теплообменника заклю­чается в том, что холодный теплоноси­тель в нем можно нагреть до температуры более высокой, чем температура греющего теплоносителя на выходе . В прямоточном теплооб­меннике этого сделать невозможно.