12.3. Типы теплообменных аппаратов

Теплообменный аппарат - устройство, в котором одна жидкость (горячая среда) передает теплоту другой жидкости (холодной среде). В качестве теплоносителей в тепловых аппаратах используются капельные и упругие жидкости. По принципу работы аппараты делят на три группы.

В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту аккумулирующему устройству, которое в свою очередь периодически отдает теплоту второй жидкости - холодному теплоносителю, т. е. одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью.

В смесительных аппаратах передача теплоты от горячей жидкости к холодной происходит при непосредственном смешении обеих жидкостей.

В рекуперативных аппаратах теплота от горячей жидкости к холодной передается через разделительную стенку.

Теплообменные аппараты разнообразны по назначению: паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, приборы центрального отопления и др. Несмотря на разнообразие этих аппаратов (как по формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам) основные положения теплового расчета для них остаются общими. Движение жидкости в аппаратах осуществляется по трем основным схемам.

Если направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадают, то такое движение называют прямотоком (рис. 12.3а).

Е

сли направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя, то такое движение называют противотоком (рис. 12.3б).

Если же горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного, то такое движение называют перекрестным током (рис. 12.3в). В теплообменных аппаратах применяют и более сложные схемы, включающие три основные схемы.

12.4. Расчет теплообменных аппаратов

Целью теплового расчета является определение поверхности теплообмена, а если последняя известна, то целью расчета является определение конечных температур рабочих жидкостей. Основными расчетными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса. Уравнение теплопередачи:

Q=kF(t₁-t₂),

где Q - тепловой поток, Вт; k - средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м2∙град); F – площадь поверхности теплообмена в аппарате, м²; t₁ и t₂ - соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей.

Уравнение теплового баланса при условии отсутствия тепловых потерь и фазовых переходов:

Q=m₁·Δt₁=m₂·Δt₂,

или

Q=V₁ρ₁c_р1(t′₁-t′′₁)=V₂ρ₂c_р2(t′′₂-t′₂). (12.16)

Здесь V₁ρ₁,V₂ρ₂ - массовые расходы теплоносителей, кг/с; c_р1 и c_р2 - средние массовые теплоемкости жидкостей в интервале температур от t′₁ до t′′₁; t′₁ и t′′₁ - температуры жидкостей при входе в аппарат; t′₂ и t′′₂ - температуры жидкостей при выходе из аппарата.

Величину произведения Vρc_р=W [Вт/град] называют водяным (условным) эквивалентом.

С учетом последнего уравнение теплового баланса

(t′₁-t′′₁)/(t′′₂-t′₂)=W₂/W₁, (12.17 )

где W₂, W₁ - условные эквиваленты горячей и холодной жидкостей.

При прохождении через теплообменный аппарат рабочих жидкостей изменяются температуры горячих и холодных жидкостей. На изменение температур большое влияние оказывают схема движения жидкостей и величины условных эквивалентов. На рис.12.4 представлены температурные графики для аппаратов с прямотоком, а на рис.12.5 для аппаратов с противотоком.

И

з рис.12.4 видно, что при прямотоке конечная температура холодного теплоносителя ниже конечной температуры горячего теплоносителя.

При противотоке (рис. 12.5) конечная температура холодной жидкости может быть значительно выше конечной температуры горячей жидкости. В аппаратах с противотоком можно нагреть холодную среду при одинаковых начальных условиях до более высокой температуры, чем в аппаратах с прямотоком. Кроме того, как видно из рисунков, наряду с изменениями температур изменяется также и разность температур между рабочими жидкостями, или температурный напор Δt.

Величины Δt и k можно принять постоянными только в пределах элементарной поверхности теплообмена. Уравнение теплопередачи для элемента поверхности dF в дифференциальной форме:

dQ=k·dF·Δt. (12.18)

Тепловой поток, переданный через поверхность F при постоянном коэффициенте k, определяется интегрированием (12.18):

Q=∫kdFΔt=k·F·Δt_ср, (12.19)

где Δt_ср - средний логарифмический температурный напор по всей поверхности нагрева.

Для случаев, когда коэффициент теплопередачи на отдельных участках поверхности теплообмена значительно изменяется, его усредняют:

k_ср=(F₁k₁+F₂k₂+…+F_nk_n)/(F₁+F₂+…+F_n).

Тогда при k_ср=const уравнение (12.19) примет вид

Q=∫k_срΔtdF=k_срΔt_срF. (12.20)

Е

сли температура теплоносителей изменяется по линейному закону (рис. 12.6, штриховые линии), то средний температурный напор в аппарате равен разности среднеарифметических величин:

Δt_ср=(t′₁+t′′₁)/2-(t′′₂+t′₂)/2. (12.21)

Однако температуры рабочих жидкостей меняются нелинейно. Поэтому уравнение (12.21) - приближенное и может применяться при небольших изменениях температуры обеих жидкостей. При нелинейном изменении температуры величину Δt_ср называют среднелогарифмическим температурным напором и определяют так:

для аппаратов с прямотоком

Δt_ср=[(t′₁-t′₂)-(t′′₁-t′′₂)]/ln[(t′₁-t′₂)/(t′′₁-t′′₂)]; (12.22)

для аппаратов с противотоком

Δt_ср=[( t′₁-t′′₂) - (t′′₁-t′₂)]/ln[( t′₁-t′′₂)/(t′′₁-t′₂)]. (12.23)

Численные значения Δt_ср для аппаратов с противотоком при одинаковых условиях всегда больше, чем для аппаратов с прямотоком, поэтому аппараты с противотоком имеют меньшие размеры.

12