14.6.Теплопередача при переменных температурах (расчет теплообменных аппаратов)

Теплообменным аппаратом (ТА) называется устройство, предназначенное для передачи теплоты от одной среды к дру­гой. ТА широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности, при транспорте и хранении нефти, нефтепродуктов и газа и в дру­гих отраслях народного хозяйства. По принципу действия ТА делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные

В рекуперативных ТА горячая и хо­лодная среды одновременно с разных сторон омывают поверх­ность теплопередачи, а теплота передается через стенку.

В регенеративных ТА горячая и хо­лодная среды омывают одну и ту же поверхность теплопере­дачи последовательно: сначала омывает горячая жидкость, от­давая ей теплоту, а затем ту же поверхность омывает холод­ная жидкость, которая от нее и нагревается. Примером таких ТА могут служить вращающиеся воздухоподогреватели. , В рекуперативных и регенеративных ТА в процессе тепло­обмена участвует поверхность теплопередачи, поэтому эти ТА называются поверхностными.

В смесительных ТА теплопередача от горячей жидко­сти к холодной осуществляется путем их непосредственного смешения Эти ТА называются контактными. Примером таких ТА могут быть градирни, в которых разбрыз­гиваемая вода охлаждается атмосферным воздухом.

В зависимости от назначения и конструктивного оформле­ния ТА имеют специальные наименования. Наиболее широко распространены кожухотрубные теплообменники; по некоторым данным они составляют до 80% всей теплообменной аппарату­ры. Большое распространение получили также теплобменные аппараты жесткой конструкции, теплообменники с компенса­торами температурных напряжений (с линзовыми компенсато­рами на корпусе, с плавающей головкой), с U-образными труб­ками. Кроме того, в нефтяной и газовой промышленности ши­роко применяются теплообменные аппараты типа «труба в трубе». В промышленности наибольшее распрост­ранение получили поверхностные ТА, где горячая и холодная жидкости могут двигаться различно. Наиболее простыми и рас­пространенными схемами движения являются прямоток, про­тивоток и перекрестный ток При прямотоке горячая и холодная среды движутся вдоль поверхности теплооб­мена в одном направлении, при противотоке — в противопо­ложных направлениях, при перекрестном токе — в перекрещи­вающихся направлениях. Существуют аппараты и с более сложными схемами движения.

От схемы движения сред в прямой зависимости находится и теплообмен между ними, поэтому схемы движения жидкости еще называются схемами теплообмена.

В основу теплового расчета поверхностных ТА положены уравнения теплового баланса и обобщенные уравнения тепло­передачи при переменных температурах, действительных для любых схем движения сред (схем теплообмена) и для конст­руктивных и поверочных расчетов.

Уравнение теплового баланса можно написать, если пред­положить, что количество теплоты, отдаваемой горячей жид­костью, равно количеству теплоты, воспринятой холодной жид­костью,

Q=W1Δt=W2Δτ (14.20)

где W1, W₂ — водяные эквиваленты (расходные теплоемкости)

нагревающей и нагреваемой сред, представляющие полную теплоёмкость этих сред.

Важнейшей обобщенной характеристикой схемы теплообме­на, определяющей ее выбор при проектировании ТА, является индекс противоточности р.

Для объяснения физического содержания индекса противо­точности любой ТА можно по конечному эффекту заменить эк­вивалентным ТА с U-образными трубками.

Уравнение теплового баланса:

Q = M₁· C_тр1 (t’ – t₁”) = М₂ · С_рт2(t” – t₁’) (14.21)

Различают два вида теплотехнических расчетов ТА — кон­структивные (I рода) и поверочные (II рода) (табл. 13.2).

При проектировании в конструктивных теплотехнических расчетах известны начальные и конечные температуры потоков t1, τ1, t2, τ2 , водяные эквиваленты обоих потоков W1, W₂ тре­буется определить водяной эквивалент поверхности теплопере­дачи kF. Эти расчеты проводятся в следующем порядке.

1. По уравнению теплового баланса определяется количество передаваемой теплоты (мощность ТА) Q.

2. По формуле вычисляется минимальный индекс противоточности.

3. Выбирается схема теплообмена проектируемого ТА так, чтобы

p>pmin

4. Определяется средняя разность температур по формуле из табл. 13.2.

5. Вычисляется водяной эквивалент поверхности теплопередачи

kF=Q/θm

6. Далее расчеты могут быть проведены двумя путями:

вычисляется (или выбирается по оценке) коэффициент теп­лопередачи k; затем определяется поверхность ТА F=(kF)/k; в том случае, если k выбран по оценке, то он вычисляется и окончательно выбирается F;

осуществляется обработка данных теплотехнического испы­тания ТА, а именно: по известному F определяется k как ре­зультат обработки опытных данных k= (kF)/F.

В поверочных теплотехнических расчетах (II рода) известны или подсчитываются все водяные эквива­ленты (W1, W₂, kF, W_m) и начальные температуры потоков (t1, τ1); требуется определить конечные температуры потоков (t2, τ2).

Порядок расчетов II рода следующий:

1. Определяется количество передаваемой теплоты Q по второму уравнению теплопередачи

2 Вычисляются конечные температуры потоков из уравне­ния теплового баланса

Δt= Q/ W1; t₂ = t1—Δt, Δτ= Q/ W2, (14.22)

τ2=τ1+Δτ. (14.23)

Все трудности в теплотехнических расчетах ТА сводятся либо к определению средней разности температур (в расчетах первого рода), либо к определению количества передаваемой теплоты (в расчетах второго рода).