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 теплообменными аппаратами.

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 кожухотрубного рекуперативного теплообменника приведена на рис. 9.7. Кожухотрубные теплообменники состоят из пучка труб 3, концы которых закреплены в специальных трубных решетках 1. Пучок труб расположен внутри общего кожуха 2, причем теплоносительI движется по трубам, а теплоноситель II – в пространстве между кожухом и трубами (межтрубном пространстве). Движение теплоносителя в теплообменных аппаратах осуществляется по трем основным схемам: прямотока, противотока и перекрестного тока. В схеме прямотока теплоносители движутся параллельно в одном направлении, а в схеме противотока – в противоположных направлениях. В схеме перекрестного тока движение одного теплоносителя перпендикулярно движению другого. На практике встречаются более сложные схемы, включающие различные

комбинации основных. Рис. 9.6

В регенеративном 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.

В смесительных 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..

Рис. 9.7

Рис. 9.8

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.

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 , массовые расходы теплоносителей и, изменение их температури.

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.

a б

Рис. 9.9

Здесь нижний индекс (1) относится к теплоносителю, от которого тепло отводится; индекс (2) – к теплоносителю, которому тепло подводится.

Из рисунка следует:t₁ = t′₁ - t"₁ и t₂ = t"₂ - t'₂, далее для прямотока t′ = t′₁ - t′₂ и t" = t"₁ - t"₂; для противотока t′ = t′₁ - t^"₂ и t" = t"₁ - t′₂ ,

Очевидно, что при прямотоке температура t"₂ всегда меньше t"_1.

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

При расчете рекуперативных теплообменников основными уравнениями являются:

1. Уравнение теплопередачи:

= к F (t₁ – t₂) (9.15)

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) вводится средняя по теплообменнику разность температур:

= к F t _{ср .} (9.16)

2. Уравнения теплового баланса:

= ₁с_{р 1} (t′₁ - t"₁) и =₂с_{р 2} (t"₂ - t'₂) (9.17)

где ₁ и ₂ – массовые часовые расходы теплоносителей;

с_{р 1} и с_{р 2} – теплоемкости теплоносителей.

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 среднелогарифмическая.

Если значение 1,7, то в расчет вводится среднеарифметический напор, т.е.t _ср = . (9.18)

При этом погрешность расчета будет несущественной.

Если же > 1,7, то в расчет необходимо вводить среднелогариф - мический температурный напор в виде:

t _{ср л} = (9.17)

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

t _ср = t _{ср л} ,

где – поправка, которая определяется из графика (рис. 9.10) как функция

двух вспомогательных величин:

P = и R = .

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:

;

и

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.