7. Теплообменные аппараты

7.1. Типы теплообменных аппаратов

Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в ко­тором одна жидкость – горячая среда, передает теплоту другой жидкости – холодной среде. В качестве теплоносителей в тепло­вых аппаратах используются разнообразные капельные и упругие жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур. По принципу работы аппараты делят на регенеративные, сме­сительные и рекуперативные.

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 к хо­лодной жидкости происходит при непосредственном смешении обеих жидкостей, например смешивающие конденсаторы.

Особенно широкое развитие во всех областях техники полу­чили рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячей к холодной жидкости передается через разделительную стенку, которые и будут рассмотрены в дальнейшем.

Теплообменные аппараты могут иметь самые разнообразные наз­начения, поэтому в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам (паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, при­боры центрального отопления и т.д.). Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппара­тов, основные положения теплового расчета для них остаются общими.

В теплообменных аппаратах движение жидкости осуществляется по трем основным схемам (рис. 7.1).

1. Если направление движения горячего и холодного теплоноси­телей совпадают, то такое движение называется прямотоком (рис. 7.1, а).

а) б) в)

2

1 1

1

2. 2

Рис. 7.1

2. Если направления движения горячего и холодного теплоносителей противоположно, то такое дви­жение называется противотоком (рис. 7.1, б).

3. Если же горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется перекрестным током (рис. 7.1, в).

Кроме этих основных схем движения жидкостей, в теплообменных аппаратах применяют более сложные схемы движения, включающие все три основные схемы.

7.2. Основные положения теплового расчета

При проектировании новых аппаратов целью теплового расчета является определение поверхности теплообмена, а если последняя известна (при использовании существующих конструкций), то целью расчета является определение конечных тем­ператур рабочих жидкостей или их расходов.

Основными расчетными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являются уравнение тепло­передачи и уравнение теплового баланса.

Уравнение теплопередачи

, Вт, (7.1)

где Q – тепловой поток;

k – средний коэффициент теплопередачи, ;

F – поверхность теплообмена в аппарате, ;

–соответственно температуры горячего и холодного теп­лоносителей.

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

или

, Вт, (7.2)

где и– массовые расходы теплоносителей,кг/сек;

и – средние массовые теплоемкости жидкостей в интервале

температур от до,Дж/(кг.град);

и – температуры жидкостей при входе в аппарат;

и – температуры жидкостей при выходе из аппа­рата.

Величину произведения

, Вт/град

называют водяным, или условным эквивалентом.

С учетом последнего уравнение теплового баланса может быть представлено в следующем виде:

, (7.3)

где и– условные эквиваленты горячей и холодной жидкостей.

В тепловом аппарате температуры горячей и холодной жидко­стей изменяются обратно пропорционально их условным эквивален­там. Это соотношение сохраняется и для каждого элемента поверх­ности аппарата.

При выводе основного уравнения теплопередачи (3.4) и (3.5) принималось, что температуры горячей и хо­лодной среды в теплообменном аппарате не изменяют­ся. В действительности тем­пературы рабочих жидко­стей при прохождении че­рез аппарат изменяются, причем на изменение тем­ператур большое влияние оказывают схема движения жидкостей и величины условных эквивалентов.

Если по оси абсцисс откладывать значения поверхности аппарата F, а по оси ординат – значения температур в различных точках по­верхности t, то для аппаратов с прямотоком можно дать температур­ные графики, представленные на рис. 7.2, а для аппаратов с противотоком – на рис. 7.3. Верхние кривые на графиках по­казывают изменение температуры горячего теплоносителя, ниж­ние – холодного.

t t

F F

Рис.7.2. График изменения температур при прямотоке

Как видно из рис. 7.2, при прямотоке конечная температура холодного теплоносителя всегда ниже конечной температуры горя­чего теплоносителя.

t t

F F

Рис.7.3. График изменения температур при противотоке

При противотоке (рис. 7.3) конечная тем­пература холодной жидкости может быть значительно выше конеч­ной температуры горячей жидкости. Следовательно, в аппаратах с противотоком можно нагреть холодную среду, до более высокой температуры, чем в аппара­тах с прямотоком, при одинаковых начальных условиях. Кроме того, как видно из рисунков, наряду с изменениями температур изменяется также и разность температур между рабочими жидкостями, или температурный напор .

Величины иk можно принять постоянными только в пределах элементарной поверхности теплообмена dF. Поэтому уравнение теплопередачи для элемента поверхности теплообмена dF справед­ливо лишь в дифференциальной форме:

. (7.4)

После интегрирования тепловой поток, переданный через всю поверхность F при по­стоянном среднем коэффициенте теплопередачи k, определяется по формуле

, Вт, (7.5)

где – средний логарифмический температурный напор по всей

поверхности нагрева.

Если принять, что температура теплоносителей изменяется по закону пря­мой линии, то средний темпера­турный напор в аппарате равен разности среднеарифметических величин:

. (7.6)

Однако температуры рабочих жидкостей чаще всего меняются по криволиней­ному закону. Поэтому уравнение (7.6) будет только приближен­ным и может применяться при небольших изменениях температуры обеих жидкостей.

В этом случае после интегрирования уравнения (7.4) по поверхности с использованием начальных и конечных температур горячего и холодного теплоносителей получают уравнение

, Вт, (7.7)

где – наибольшая разность температур рабочих жидкостей на одном конце

аппарата;

–наименьшая разность температур рабочих жидкостей на другом конце

аппарата.

Сравнивая уравнения (7.7) и (7.5), получаем:

. (7.8)

Эта величина называется среднелогарифмическим температурным напором.

Таким образом, для аппаратов:

– с прямотоком

; (7.9)

– с противотоком

. (7.10)

Численное значение для аппаратов с противотоком при одинаковых условиях всегда большедля аппаратов с прямо­током, поэтому аппараты с противотоком имеют меньшие размеры.

Среднелогарифмический температурный напор аппаратов с перекрёстным током рассчитывается, как для противотока с введением поправочных коэффициентов, полученных экспериментальным путём, которые приводятся в справочной литературе.