Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одних тел к другим. Тела, отдающие или воспринимающие тепло, называются теплоносителями. В качестве теплоносителей принимаются различные газообразные и жидкие вещества. Большое распространение как греющий теплоноситель получил водяной пар. Его отличает высокая интенсивность теплоотдачи, большое теплосодержание, постоянство температуры при конденсации, хорошая транспортабельность. Однако использование водяного пара целесообразно лишь в технологиях с умеренными температурами (на уровне 150 °С), так как дальнейшее повышение температуры связано со значительным ростом давления пара, что приводит к утяжелению и удорожанию аппарата.
Горячая вода широко используется в отопительных и вентиляционных системах. Она обладает теми же достоинствами, что и водяной пар, но подключение технологических теплообменных аппаратов к тепловым сетям практикуется редко, поскольку температура воды не постоянна, а в летнее время сети вообще отключаются.
|
|
Преимуществом топочных газов как теплоносителя является возможность достижения высокой температуры при давлении, близком к атмосферному. Недостатки – низкий коэффициент теплоотдачи от газов к стенке и связанная с этим громоздкость теплообменников, не транспортабельность газов, что обуславливает их использования на месте получения. Кроме газов для высокотемпературного нагрева применяют минеральные масла, расплавленные соли и металлы.
По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах теплоносители разделены твердыми стенками, образующими поверхность нагрева. В смесительных теплообменниках происходит непосредственное соприкосновение теплоносителей. По конструкции они проще, и в них полнее используется потенциал передаваемого тепла, поэтому их применение предпочтительнее во всех случаях, когда допускается смешение теплоносителей.
Поверхностные теплообменные аппараты делятся на регенеративные и рекуперативные. В рекуперативных аппаратах теплообмен происходит через разделительную стенку, причем тепловой поток сохраняет постоянное направление. Если же два теплоносителя с различной температурой попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева (насадкой), то такой аппарат называют регенеративным. Насадка при омывании горячим теплоносителем нагревается, аккумулируя тепло; затем через насадку пропускают нагреваемую среду, которая воспринимает это тепло. Тепловой поток за полный цикл теплообмена изменяет направление на противоположное. Регенеративные теплообменники в большинстве случаев являются аппаратами периодического действия. Возможно осуществление и непрерывной работы с перемещением насадки в рассечке горячего и холодного потоков. Примером может служить регенератор Юнгстрема с вращающейся насадкой, используемый иногда в качестве воздухонагревателей котлоагрегатов.
|
|
Наибольшее распространение имеют рекуперативные теплообменные аппараты различной конструкции: кожухотрубчатые, секционные, спиральные пластинчатые, змеевиковые и др. Они обеспечивают широкий спектр теплоиспользования в энергетике, промышленности и коммунальном хозяйстве в качестве испарителей, подогревателей, конденсаторов, калориферов, отопительных приборов и т.д.
Независимо от устройства и принципа работы теплообменные аппараты должны обеспечивать высокую надежность при длительной эксплуатации, возможность очистки внутренних поверхностей, высокий коэффициент теплоотдачи, технологичность конструкции, приемлемый уровень металлоемкости, возможность транспортирования к месту установки, удобство обслуживания и ремонта, удовлетворение требованиям охраны труда.
Тепловой расчет теплообменных аппаратов разделяют на два вида: конструктивный и поверочный. Задачей конструктивного расчета, который выполняется при разработке нового аппарата, является определение площади поверхности теплообмена, необходимой для передачи заданного теплового потока. При поверочном расчете определяют конечные температуры сред и тепловую производительность для определенного аппарата, конструкция и площадь поверхности которого известны.
Гидромеханический расчет ставит целью определение гидравлических сопротивлений и мощностей, необходимых для перемещения рабочих сред в аппарате.
В основе теплового расчета аппарата лежат два основных уравнения: теплового баланса и теплопередачи.
Уравнение теплового баланса в общем случае имеет вид:
,
или для однофазных сред
,
где Q – тепловая производительность аппарата, Вт;
h=0,96-0,98 – коэффициент, учитывающий потери тепла аппарата в окружающую среду;
М – массовый расход теплоносителя, кг/с;
c – теплоемкость среды, Дж/(кг×К); индексы «1» и «2» соответствуют греющему и нагреваемому теплоносителям;
- энтальпии, Дж/кг и температуры теплоносителей, К на входе в теплообменник;
- то же на выходе из теплообменника.
Уравнение теплопередачи, из которого определяют площадь поверхности теплообмена, записывают в виде:
Q = k F Dt,
где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2×К);
F – площадь поверхности теплообмена, м2;
Dt – средний логарифмический температурный напор, К.
Для расчета коэффициента теплопередачи аппарата с цилиндрическими трубками, толщина стенки которых не более 2,5 мм, можно пользоваться формулой, свойственной плоской стенке:
,
где a1, a2 – коэффициенты теплоотдачи со стороны греющего и нагреваемого теплоносителей, Вт/(м2×К);
d1, l1 и d2, l2 – толщина слоя загрязнения, м и коэффициент теплопроводности, Вт/(м2×К) соответственно со стороны греющего теплоносителя и нагреваемой среды;
dст, lст – толщина и коэффициент теплопроводности стенки.
Если аппараты имеют утолщенные стенки труб (при высоком давлении теплоносителя), то коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле для цилиндрической стенки.
|
|
Температура обоих теплоносителей изменяется вдоль поверхности теплообмена. Характер изменения температуры для случаев прямоточного и противоточного движения теплоносителей показан на рис. 7.9.
Средний логарифмический температурный напор между теплоносителями определяется по формуле:
,
где Dtб и Dtм – большая и меньшая разности температуры на концах теплообменника.
Рис. 7.9. Характер изменения температуры для случаев прямоточного
и противоточного движения теплоносителей
При изменении фазового состояния одного из теплоносителей его температура не изменяется, и направление движения сред не оказывает влияния на величину Dt.
В теплообменниках с однофазными средами преимущество имеет противоток, так как в этом случае температурный напор больше. Следовательно, аппарат при противоточном включении теплоносителей имеет большую теплопроизводительность, чем при прямоточном.
Другим преимуществом противотока является более высокий предел использования потенциала греющего теплоносителя. В прямоточной схеме он определяется температурой t1², а в противоточной – t1¢. Эти достоинства противотока предопределяют предпочтительное его применение по сравнению с прямотоком.
Следует отметить, что на расчетное значение поверхности теплообмена влияет не только Dt, но и коэффициент теплоотдачи. Поэтому для его увеличения используют более сложные схемы движения теплоносителей, например перекрестный или параллельно-смешанный ток. В этих случаях Dt определяется, как для противотока, но с поправками, которые находятся из графиков.
Когда температура рабочих жидкостей вдоль поверхности нагрева изменяется незначительно, средний температурный напор можно вычислить как среднее арифметическое из крайних напоров Dt¢ и Dt²:
.
Среднеарифметическое значение температурного напора всегда больше среднелогарифмического. Но при Dt²/Dt¢>0,6 они отличаются друг от друга меньше, чем на 3 %. Такая погрешность в технических расчетах вполне допустима. При равенстве Dt¢ и Dt² температурный напор Dt принимается равным одной из этих разностей.
|
|