2.8 Рекуперативные аппараты периодического действия

Рекуперативные аппараты периодического действия широко применяют в промышленности. К ним относят реакционные аппараты, варочные и запарочные котлы, водоподогреватели-аккумуляторы (бойлеры-аккумуляторы), автоклавы и т. д. Аппараты периодического действия предназначены для нагрева воды, различных сред и материалов и под­ держания необходимого температурного уровня и давления в них в те­чение некоторого периода времени. За время нагревания и стабилизации в воде или другой среде накапливается теплота, протекают химические реакции, а затем вода отпускается потребителю, а обработанная среда охлаждается. Темп и время нагревания определяются назнач­ением аппаратов, технологией производства и физическими свойства­ ми среды.

Водоподогреватели-аккумуляторы предназначены для снятия пико­вых тепловых нагрузок отопительной системы и горячего водоснабже­ния: В этом случае большую массу воды можно, нагревать, в течение длительного промежутка времени теплоносителем с относительно низ­кой температурой. Нагретая» в бойлерах-аккумуляторах вода, как прави­ло, расходуется в течение короткого промежутка времени, например, в душевых промышленных предприятий.

Во всех аппаратах периодического действия происходит нестационарный теплообмен. Уравнение, теплопередачи при нестационарном режиме работы имеет вид

где — время работы аппарата; — средний температурный напор за время .

При периодическом процессе нагревания или охлаждения могут изменяться со временем температуры как обоих теплоносителей, так и только одного из них. Последнее имеет Место, например, в бойлерах-аккумуляторах с паровым обогревом. Рассмотрим наиболее общий 'слу­чай, когда изменяются температуры обоих теплоносителей (рис. 2.24).

Пусть в начальный момент времени масса воды, находя­щейся в аккумуляторе, имеет температуру а в конце периода нагрева Нагревание осуществляется горячим теплоносителем с постоянной температурой на входе и расходом _ Особенностью такого не­ стационарного теплообмена является то, что с течением времени температура греющего теплоносителя на выходе увеличивается. Изменение температуры греющего теплоносителя и нагреваемой воды во времени изображено на рис. 2.24.

Уравнение теплопередачи и теплового баланса для всей поверхности теплообмена F за интервал времени их имеет вид

Здесь —средняя разность температур между теплоносителями в момент времени ; -текущее значение температуры греющего тепло­носителя и — изменение температуры нагреваемой воды за время . Температурный напор в момент времени рассчитывается как среднелогарифмическая разность температур:

Так как температуры U и t₂ со временем изменяются, то является функцией времени. Подставляя в (2.70), получаем

откуда _ ,

Ранее было показано, что при постоянных есть величина постоянная и носит название числа единиц переноса. Тогда температура греющей воды на выходе из аппарата равна .

Подставляя эта соотношение в (2.70), получаем ,

Интегрируем полученное выражение в пределах: левую часть — от 0 до т и правую- от ', и находим

»

Часто начальная и конечные температуры теплоносителей- известны по постановке задачи. Как* правило, могут быть заданы' или оценены также значения . Тогда выражение (2;77) можно использовать

для определения числа единиц переноса, а следовательно, и площади поверхности теплообмена F. При ,этом коэффициент теплопередачи рассчитывают так же, как в аппаратах непрерывного действия с уче­том конкретных условий теплообмена.

В бойлерах-аккумуляторах теплообмен между. горячей поверхностью и нагреваемой средой осуществляется при естественной конвек­ции. Для .расчёта коэффициента теплоотдачи необходимо знать сред­ нюю температуру воды. Она может быть определена приближенно по соотношению :

Средняя температура греющей воды на выходе определяется из урав­нения теплового баланса

откуда ...

В том случае, когда нагревание холодной воды осуществляется* па­ром, расчетные соотношения существенно упрощаются, так как темпе­ратура конденсирующегося пара во времени не меняется. Масса нагре­ваемой воды М₂ также постоянна, а расход пара со временем уменьша­ется. Зависимость температур теплоносителей от времени показана на рис. 2.25. Уравнения теплопередачи и теплового баланса имеют вид

Разделяя переменные в данном уравнении, получаем

После интегрирования по всему периоду нагревания находим

и окончательно " .

А

Коэффициент теплопередачи в 'уравнении (2.80) рассчитывают, как: в стационарно работающем теплообменнике. Например, в аппаратах с трубчатой поверхностью нагрева внутри труб происходит конденсация пара, а снаружи передача теплоты осуществляется естественной конвекцией. Необходимая- для расчета коэффициента теплоотдачи от по­ верхности труб к нагреваемой воде средняя температура последней рас­ считывается по формуле - '

При нагревании воды или других сред в аппаратах периодического действия часть теплоты греющего теплоносителя расходуется на нагревание корпуса аппарата и тепловой изоляции и компенсацию тепловых потерь в окружающую среду. Для учета затрат теплоты на •нагрев конструкции в полученные выше формулы вместо обычно подставляют полную теплоемкость аппарата, заполненного нагреваемой -средой: ^ , где — массы и удельные теплоемкости элементов конструкции аппарата и изоляции.

Максимальная тепловая мощность подогревателей-аккумуляторов имеет место в начальный период их работы, как показано на рис. 2,26,а. С целью получения более равномерного графика теплового потребления подогреватели-аккумуляторы часто включают последова­тельно, заменяя один аппарат большой емкости несколькими меньши­ми (рис. 2.26,6).

I