Основы теплового расчета теплообменных аппаратов

Типы теплообменных аппаратов

Теплообменный аппарат (теплооб­менник) — это устройство, предназна­ченное для нагревания, охлаждения или для изменения агрегатного состояния теплоносителя. Чаще всего в теплообменных аппаратах осуществляется пере­дача теплоты от одного теплоносителя к другому, т. е. нагревание одного тепло­носителя происходит за счет охлаждения другого. Исключение составляют тепло­обменники с внутренними тепловыделе­ниями, в которых теплота выделяется в самом аппарате и идет на нагрев теплоносителя. Это разного рода электро­нагреватели и реакторы.

Теплообменники с двумя теплоноси­телями в зависимости от способа переда­чи теплоты от одного теплоносителя к другому можно разделить на несколько типов: смесительные, рекупе­ративные, регенеративные и с промежуточным теплоно­сителем.

Наиболее простыми и компактными являются смесительные теплообменники, в которых смешиваются теплоносители, не требующие дальнейшего разделения, например при подогреве воды паром.

Используются смесительные теплооб­менники и для легко разделяющихся теп­лоносителей: газ — жидкость, газ дисперсный твердый материал, вода масло и т. д. Для увеличения поверхно­сти контакта теплоносителей их тщатель­но перемешивают, жидкости разбрыз­гивают или разбивают на мелкие струи.

В рекуперативных теплообменниках теплота от одного теплоносителя к друго­му передается через разделяющую их стенку. Для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводно­стью: меди, стали, латуни, сплавов алю­миния и т. д.

Наиболее распространены трубчатые теплообменники , в которых один теплоноси­тель движется в трубах, а другой — в межтрубном пространстве. В таких теплообменниках смешения теплоносите­лей не происходит, и они используются для самых разнообразных сочетаний гре­ющего и нагреваемого вещества.

Регенеративные теплообменники и теплообменники с промежуточным теп­лоносителем работают фактически по одному и тому же принципу, заключающе­муся в том, что теплота от одного тепло­носителя к другому переносится с по­мощью какого-то третьего — вспомога­тельного вещества. Это вещество (про­межуточный теплоноситель) нагревается в потоке горячего теплоносителя, а затем отдает аккумулированную теплоту хо­лодному теплоносителю. Для этого не­обходимо либо переносить сам промежу­точный теплоноситель из одного потока в другой, либо периодически переклю­чать потоки теплоносителей в теплооб­меннике периодического действия.

В регенеративных теплообменниках в качестве промежуточного теплоносите­ля используется твердый достаточно массивный материал листы металла, кирпичи, различные засыпки. Регенеративные теплообменники незаменимы для высокотемпературного (t>1000°С) подогрева газов, поскольку жаростойкость металлов ограничена, а насадка из огне­упорных кирпичей может работать при очень высоких температурах.

В теплообменниках с промежуточным теплоносителем теплота от греющей сре­ды к нагреваемой переносится потоком мелкодисперсного материала или жидко­сти. В ряде случаев промежуточный теп­лоноситель при работе меняет агрегатное состояние.

Широкие возможности открываются при использовании в качестве промежу­точного теплоносителя мелкодисперсного материала, который может работать в самых различных условиях (при высо­ких и низких температурах, в агрессив­ных газах и т. д.).

Использование того или иного типа теплообменника в каждом конкретном случае должно быть обосновано технико-экономическими расчетами, поскольку каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.

Основные расчетные уравнения

Общим уравнением при расчете теп­лообменника любого типа является уравнение теплового балан­са — уравнение сохранения энергии. Тепловой поток Q₁,отданный в теплооб­меннике горячим теплоносителем (ин­декс 1), например, при его охлаждении от температуры t₁^' до t^"₁.

где m— массовый расход теплоносителя.

Несколько процентов (обычно 1 — 10%) от теряется в окружающую среду через стенки теплообменника, а ос­новная часть (КПД теплообменника h учитывает потери) передается второму теплоносителю (индекс 2). Теп­ловой поток , получаемый холодным теплоносителем, можно рассчитать через разность энтальпий по аналогии с .

Уравнение теплового баланса по­зволяет найти один неизвестный пара­метр: либо расход одного из теплоноси­телей, либо одну из температур. Все остальные параметры должны быть из­вестны.

Тонкие стенки трубок рекуператив­ных теплообменников практически всег­да считаются плоскими, поэтому повер­хность F, необходимая для передачи теп­лового потока от горячего теплоноси­теля к холодному, определяется из при­ближенного уравнения согласно которому

Методики расчета теплообменников других типов можно найти в специальной литературе [7].

Рис. 12.4. Схемы движения теплоносителей в теплообменниках:

а — противоток; 6 — прямоток

При определении пред­полагалось, что температуры теплоноси­телей t₁ и t₂ постоянны, а между тем они изменяются по длине теплообменника (рис. 13.6). В расчете, очевидно, нужно использовать среднеинтегральную по длине теплообменника разность темпера­тур теплоносителей:

Пользоваться среднеарифметическим значением можно только в случае, когда По­грешность не будет превышать 4 %.

Определим точное значение среднего перепада температуры для простей­шего случая, когда температура грею­щего теплоносителя неизменна (рис. 13.7). Через дифференциально ма­лую площадь теплообменника dF пере­дается тепловой поток

за счет которого температура нагревае­мого теплоносителя изменяется на , а разность температур теплоносителей — на d , причем при

t₁ =const dt₂ — d ( t).

Рис. 12.4. Изменение температур теплоноси­телей в теплообменнике, обогреваемом паром

Тогда

Приравняем правые части уравнений :

Разделим переменные и проинтегрируем по F от 0 до F и по Dt от Dt_М до Dt_б при :

Отсюда

Или

Подставим из (13.8) в уравнение

Сравнивая выражения , видно, что

Точно таким же получается выраже­ние для и при других схемах движения теплоносителей, изображенных на рис. 13.6. Нужно обратить внимание, на то что и — это перепады температур между теплоносителями на концах теплообмен­ника. Только в прямоточном теплообмен­нике значение всегда равно разности температур теплоносителей на входе, а — на выходе. В противоточном теп­лообменнике теплоносители движутся навстречу друг другу и значения Dt на концах определяются уже по разности температур на входе греющего и выходе нагреваемого теплоносителя. На каком конце теплообменника значение t будет больше, показывает конкретный расчет.

Для исключения оши­бок при расчете значений t на концах теплообменника целесообразно всегда рисовать график изменения температур по длине теплообменника, аналогичный приведенным на рис. 12.3 и 12.4.

Рис. 12.5. Схемы теплообменников с перекре­стным током теплоносителей:

а — двухходовой воздухоподогреватель; б— мно­гоходовой змеевиковый водоподогреватепь (эко­номайзер)

На практике чаще используются противоточные схемы движения, поскольку при одинаковых температурах входящих и выходящих теплоносителей при про­тивотоке всегда больше , чем при прямо­токе. Еще одно преимущество противоточного теплообменника заклю­чается в том, что холодный теплоноси­тель в нем можно нагреть до температу­ры более высокой, чем температура гре­ющего теплоносителя на выходе (см. рис. 13.6). В прямоточном теплооб­меннике этого сделать невозможно.

Кроме прямоточной и противоточной схем часто встречаются перекрестные с различным числом ходов (рис. 12.5). Средняя разность температур при пере­крестном токе меньше, чем при противо­токе, но больше, чем при прямотоке. При расчете для сложных схем движения теплоносителей вначале определяют в предположении, что теплообменник — противоточный, а затем вводят поправки, численное значение которых берут для каждого конкретного случая из справоч­ников . При числе перекрестных хо­дов более трех, например, для широко распространенных змеевиков теплооб­менников (рис. 13.8 б) схему движения можно считать чисто противоточной или чисто прямоточной.

Лекция № 13

Тема «ТОПЛИВО И ОСНОВЫ ТЕОРИИ ГОРЕНИЯ»(2 часа)

1. ПЛАН

1. Состав и основные характеристики твердого и жидкого топлива.

2. Состав и основные характеристики газообразного топлива. Условное топливо.

3. Теплота сгорания топлива. Расчеты процессов горения топлива.

4. Топочные устройства. Горелки. Форсунки.

2. ЛИТЕРАТУРА

2.1. Основная литература

1. Амерханов Р.А., Драганов Б.Х. Теплотехника. - М.: Энергоатомиздат, 2006. – 432 с.

2.2. Дополнительная литература

1. Теплотехника. /А.П. Баскаков, Б.В. Берг и др. – М.: Энергатомиздат, 1991. – 224 с.

2. Техническая термодинамика. / Кириллин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. – М.: Издательский дом МЭИ, 2008. – 496 с.