Теплообменные аппараты. Горение

Теплообменные аппараты

17.1.1 Классификация теплообменных аппаратов

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназна­ченные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В зависимости от способа передачи теплоты они бывают контактными и поверхностными.

В контактных (смесительных) аппаратах теплообмен осуществляет­ся путем непосредственного соприкосновения и смешения горячей и холодной жидкости. Эти аппараты применяются главным образом для охлаждения и нагревания газов водой или охлаждения воды воздухом. В них теплообмен сопровождается массообменном. Одним из основных параметров, определяющих интенсивность процесса в смесительных аппаратах, является величина поверхности соприкосновения теплоносителей. Для увеличения этой поверхности поступающая в аппарат жидкость распыляется на мел­кие капли с помощью специальных форсунок. К смесительным аппара­там относятся скрубберы, градирни, струйные теплообменники.

Поверхностные теплообменные аппараты разделяются на регенеративные и рекуперативные. В регенеративных - теплота горячих газов сначала аккумулируется в теплоемкой насадке (кирпичах, керамиче­ской сыпучей массе, металлических листах, шарах). Затем передается нагреваемому газу (воздуху) путем его продувания через горячую на­садку.

В рекуперативных аппаратах теплота от горячего теплоносителя передается холодному через разделяющую стенку. К таким аппаратам относятся паровые котлы, подогреватели, конденсаторы.

17.1.2 Тепловой расчет

Тепловой расчет теплообменного аппарата может быть проектным, целью которого является определение поверхности теплообмена, и поверочным, в результате которого при известной поверхности нагрева определяются количество передаваемой теплоты и конечные температуры теплоносителей. В обоих случаях основными расчетными уравнениями являются:

уравнение теплопередачи

(17.1)

уравнение теплового баланса, которое при условии отсутствия теп­ловых потерь имеет вид:

(17.2)

где G — массовый расход теплоносителя, кг/с; i — удельная энталь­пия, Дж/кг. Здесь и далее индексы 1, 2 относятся соответственно к го­рячей и холодной жидкостям, индексы ', " — к параметрам жидкости на входе в аппарат и на выходе из него. Полагая, что c_р=const, уравнение теплового баланса можно записать так:

(17.3)

Рисунок 17.1 – Характер изменения температур рабочих сред при прямотоке

Величина G×с_p=С представляет собой полную теплоемкость массового расхода теплоносителя в единицу времени и называется расходной теплоемкостью, или водяным эквивалентом. Из уравнения (17.3) следует:

(17.4)

то есть в теплообменных аппаратах температуры горячей и холодной жид­костей изменяются пропорционально их расходным теплоемкостям. В общем случае температуры жидкостей внутри теплообменника не остаются постоянными. Поэтому уравнение теплопередачи (17.1) справедливо лишь для элемента поверхности теплообмена dF, то есть

Общий тепловой поток через поверхность теплообмена F опреде­ляется как интеграл

Коэффициент теплопередачи k в большинстве случаев изменяется вдоль поверхности теплообмена незначительно, и его можно принять постоян­ным. Тогда

(17.5)

где Dt — среднее значение температурного напора по всей поверхности нагрева.

Для некоторых простых схем теплообменных аппаратов величина среднего температурного напора может быть определена аналитиче­ским путем. Рассмотрим теплообменный аппарат, работающий по схе­ме прямотока (рис. 16.2). Тепловой поток, передаваемый через элемент поверхности dF, определится уравнением теплопередачи

(17.6)

При этом температура горячей жидкости понизится на dt_ж1, а холодной - повысится на dt_ж2. Следовательно

(17.7)

Отсюда

(17.8)

Изменение температурного напора при этом определится уравне­нием

, (17.9)

где

Подставив в уравнение (17.9) значение dQ из (17.6), получаем:

(17.10)

Обозначив t_ж1—t_ж2=Dt_i, перепишем (16.10) в виде:

(17.11)

Интегрируя при постоянных m и k, получаем или

(17.12)

где и температурные напоры на входе и выходе из аппарата.

Перепишем уравнение (17.12) в виде:

. (17.13)

Из (17.3) и (17.4) найдём:

и .

Подставим найденные значения C₁ и C₂ в (17.13) и получим:

Тогда

(17.14)

Однако Q=k×F×Dt. Поэтому

(17.15)

Полученное значение температурного напора называется среднелогарифмическим. Точно также выводится формула для среднего тем­пературного напора аппарата с противотоком (рис. 17.2).

Зная величины Dt, Q и k, можно вычислить площадь поверхности теплообмена:

. (17.16)

Рисунок 17.2 – Характер изменения температур рабочих сред при противотоке

Сравнение средних температурных напоров показывает, что при одинаковых температурах теплоносителей на входе и выходе из аппа­рата наибольший температурный напор получается в теплообменнике с противотоком, наименьший — с прямотоком. Благодаря большей величине среднего температурного напора рабочая поверхность тепло­обменника с противотоком оказывается меньшей, чем с прямотоком. Следует отметить, что в тех случаях, когда расходная теплоемкость одного из теплоносителей значительно отличается от другого, или когда средний температурный напор значительно превышает изменение тем­пературы одного из теплоносителей, обе схемы будут равноценны.

При поверочном расчете теплообменников поверхность теплообмена задана.

Известны также начальные температуры жидкостей и их рас­ходные теплоемкости. Искомыми являются конечные температуры и передаваемый тепловой поток. В приближенных расчетах принимают, что температуры рабочих жидкостей изменяются по линейному закону. В точных расчётах используют метод последовательных приближений.

Горение

Топливо, используемое на всех судах, кроме атомоходов, имеет органическое происхождение и состоит в основном из углеродистых и углеводородистых соединений.

Основные характеристики топлив всех видов – это элементарный состав и теплота сгорания.

Подаваемое в топку топливо называется рабочим, а его масса – рабочей. Рабочее топливо состоит из семи компонентов. Представив массовые доли компонентов рабочего топлива в процентах, элементарный состав рабочей массы топлива можно выразить формулой:

. (17.17)

Горючими элементами топлива являются: углерод , водород Н и сера . Остальные компоненты (азот N, кислород О, зола А и влага W) понижают тепловую ценность топлива.

Если из рабочей массы топлива удалить влагу, то останется сухая масса:

. (17.18)

Исключив влагу и золу, получим горючую массу, характеризующую ценность топлива:

. (17.19)

Теплота сгорания топлива – это количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 кг топлива.

Высшая теплота сгорания – количество теплоты, выделенное при полном сгорании 1 кг топлива, если образующиеся при сгорании водяные пары сконденсированы. В реальных условиях сгорания топлива водяные пары не конденсируются, поэтому в инженерных тепловых расчетах пользуются низшей теплотой сгорания - количеством теплоты, выделенной при полном сгорании 1 кг топлива за вычетом теплоты конденсации водяных паров.

По формуле Д.И. Менделеева:

. (17.20)

Горение топлива –химический процесс быстрого соединения (окисления) горючих элементов топлива с кислородом воздуха, протекающий при высоких температурах и сопровождающийся интенсивным тепловыделением. Различают полное и неполное сгорание. Сгорание называется полным, если горючие элементы окисляются полостью. При расчете химических реакций горения определяют количество необходимого для горения воздуха, состава и количества образующихся продуктов сгорания. При полном и неполном сгорании одинакового количества углерода объем образующихся продуктов сгорания одинаков, хотя расход кислорода при полном сгорании в два раза больше. При полном сгорании углерода и серы объем израсходованного кислорода равен объему полученного соответственно углекислого и сернистого газов.

Отношение количества воздуха, действительно поступающего в топку, к теоретически необходимому называется коэффициентом избытка воздуха . Величина зависит от рода топлива, способа его сжигания, конструкции топочного устройства и нагрузки котла.

, (17.21)

где - действительное количество воздуха, подаваемого в топку; - теоретически необходимое количество воздуха.

Литература: [4], с. 61-77; [6], с. 208-217; [11], с. 47-50; [12], с. 52-55.

Вопросы для самоконтроля

1. Какие виды теплообмена можно наблюдать в теплообменных аппаратах? Приведите пример.

2. Как составляется тепловой баланс теплообменного аппарата? Приведите пример.

3. В каких случаях среднелогарифмический температурный перепад заменяется среднеарифметическим?

4. Что такое рекуперативные теплообменники? Назовите области их применения.

5. Что называется горением?

6. Как теоретически рассчитывается количество воздуха, необходимое для сгорания 1 кг топлива?

7. Что такое коэффициент избытка воздуха и как он определяется?