Регенеративные теплообменники

Для повышения эффективности теплотехнических систем, работающих в широком диапазоне температур, используются регенеративные теплообменники. Аккумуляция теплоты происходит в слое насадки. Слой насадки периодически омывается потоками горячего и холодного теплоносителя. Переключение регенераторов производится автоматическими клапанами. Каждый цикл состоит из двух периодов: разогрева насадки и ее охлаждения (рис. 2.15).

• 

• Рис. 2.15. Регенератор с неподвижной насадкой

• Регенерирующиеся вращающиеся подогреватели (рис. 2.16) применяются для подогрева воздуха дымовыми газами из котлов . Преимущество этих подогревателей – процесс непрерывный (постоянная температура нагретого воздуха), недостаток – расход энергии на вращение.

• Регенератор с падающей насадкой работает в непрерывном режиме (рис. 2.17).

• Во всех регенеративных аппаратах возможно использование специальных гранул. При нагревании покрытия ядро гранулы начинает плавиться. Гранула имеет дополнительное тепло, равное скрытой теплоте плавления материала ядра. При охлаждении гранул все тепло отдается, происходит затвердевание ядра.

• 

Рис. 2.16. Регенеративный вращающий теплообменник

Рис. 2.17. Регенератор с падающей насадкой

Смесительные теплообменники

В смесительных теплообменниках (СТО) передача тепла от одного теплоносителя к другому происходит при их непосредственном соприкосновении или смешении, следовательно, термическое сопротивление стенки (разделяющей теплоносители) отсутствует. Наиболее часто СТО применяют для конденсации паров, нагревания и охлаждения воды и паров. По принципу устройства СТО подразделяют на барботажные, полочные, насадочные и полые (с разбрызгиванием жидкости) (рис. 2.18).

воздух

Рис. 2.18. Схемы СТО: а) барботажный смесительный теплообменник для нагрева воды;

б) насадочный теплообменник-конденсатор; в) полочный барометрический конденсатор; г) полый скруббер

71. Методика расчета теплообменника.

Под расчетом понимают определение основных размеров аппарата и характеристик процесса.

Расчет теплообмена производится в следующей последовательности:

• выбор конструкции ТО;

• тепловой расчет ТО;

• гидравлический расчет ТО;

• технико-экономический расчет ТО;

• анализ полученных результатов и выбор оптимального варианта.

Выбор конструкции ТО производят на основе технического задания на проектирование, которое включает расход, начальную и конечную температуры, давление теплоносителей, возможные ограничения по потерям давления в ТО.

Тепловой расчет теплообменника

Различают проектный и поверочный расчеты теплообменников.

Цель проектного расчета – определение необходимой площади F для обеспечения заданного переноса теплоты от одного теплоносителя к другому.

Цель поверочного расчета – определение количества передаваемой теплоты и конечных температур теплоносителей в данном теплообменнике с заданной площадью F при заданных условиях его работы.

Основы расчетов: уравнения теплопередачи и тепловых балансов.

Проектный расчет теплообменника.

Задано: расход, одного из теплоносителей, другого теплоносителя. Расход тепла определяется по основному уравнению теплопередачи

. (84)

Тепловой баланс можно записать следующим образом

. (85)

Здесь – расходы теплоносителей; – начальная и конечная энтальпии более нагретого теплоносителя; – конечная и начальная энтальпии менее нагретого теплоносителя.

В уравнение (85) два неизвестных и . Необходимо задаваться одной из величин. Задаемся Тогда из (85) определяется

Если теплоносители не меняют своего агрегатного состояния, то

,

где с – теплоемкость теплоносителя при

Температура находится как среднеарифметическое

где i = 1,2.

Среднюю движущую силу определяют как среднелогарифмическую

. (86)

Формула справедлива для модели идеального вытеснения.

Если один из теплоносителей меняет фазовое состояние, например, происходит конденсация пара, тогда имеем

. (87)

Здесь Н_п, Н_к – энтальпии пара и конденсата соответственно.

Если то . В аппаратах с противотоком T_ср больше, чем в аппаратах с прямотоком (рис. 2.19) Определение коэффициента теплопередачи K

. (88)

F ∆Tм ∆Tб ∆Tм T	T T ∆Tб F	∆Tм ∆Tб F
противоток	прямоток	противоток при конденсации пара

Рис. 2.19. К определению ∆T_ср

Коэффициенты теплоотдачи ₁ и ₂ зависят от режимов течения теплоносителей, которые без реального аппарата неизвестны, поэтому принимаем ориентировочное значение K. Приближенное значение K можно найти в справочной литературе.

По известным определяют предварительное значение F_ср.

Поверочный расчет теплообменника.

Поверочный расчет теплообменника проводят после выбора конструкции теплообменника (нормализованного). Производят уточненный расчет _i, K, F_расч. Далее выполняют сопоставление F_расч и F_норм. Если F_норм > F_расч расчет прекращают. Разница ∆F = F_норм – F_расч не должна превышать допустимый запас. Если F_норм < F_расч необходимо брать ТО большей площадью и все повторить.

На рис. 2.20 приведена схема теплового расчета теплообменника.

Рис. 2.20. Схема теплового расчета теплообменника