7. Теплообменные аппараты.

7.1. Основные типы теплообменных аппаратов.

Теплообменные аппараты - это устройства для передачи тепла от одного теплоносителя к другому. По принципу работы они делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные. В основном применяются рекуперативные теплообменные аппараты, в которых передача тепла происходит через разделительную стенку. Конструктивно они выполняются в виде аппаратов с трубчатой (или реже с пластинчатой) поверхностью нагрева.

В регенеративном теплообменном аппарате передача тепла осуществляется через аккумулирующее устройство (пластины, набивка и т.д.), которое попеременно смывается обоими теплоносителями.

В смесительных теплообменных аппаратах передача тепла осуществляется при непосредственном контакте (смешении) теплоносителей.

В зависимости от взаимного направления движения теплоносителей различают теплообменные аппараты прямоточные, противоточные, с перекрестным током и со смешанным током.

Характеристиками теплообменного аппарата являются следующие величины:

• Q - тепловая производительность аппарата, количество тепла, передаваемое в единицу времени, Вт;

• F - поверхность теплообмена. поверхность твердой стенки или поверхность раздела теплоносителей, через которую передается тепло, м².

7.2. Методика расчета теплообменных аппаратов.

Расчет теплообменных аппаратов производится по двум основным уравнениям:

1. Уравнение теплопередачи

Q=K_cpFt_cp,

где t_ср - средняя разность температур;

К_ср - средний коэффициент теплопередачи.

2. Уравнение теплового баланса

или

где m₁ и m₂ - массовый расход первого и второго теплоносителя, кг/сек;

t' и i' - температура и теплосодержание теплоносителя на входе в аппарат, К и Дж/кг;

t'' и i'' - температура и теплосодержание теплоносителя на выходе из аппарата, К и Дж/кг;

t₁ и i₁ - температура и теплосодержание первого теплоносителя;

t₂ и i₂ - температура и теплосодержание второго теплоносителя;

С_р1 и С_р2 - средняя теплоемкость при постоянном давлении первого и второго теплоносителя, Дж/кг К.

Величина W=mС_р, Вт/К, называется водяным эквивалентом теплоносителя.

Заменяя уравнение баланса, имеем

.

Решая совместно оба уравнения, находим два неизвестных параметра теплообменного аппарата, при заданных или принятых остальных.

7.3. Средний температурный напор.

Т.к. температура обоих теплоносителей непрерывно меняется при их движении вдоль поверхности теплообмена, то также непрерывно меняется и температурный напор между этими теплоносителями (Рис. 25).

Рис. 25.

Рассмотрим линейный теплообменник типа "труба в трубе" вдоль поверхности которого в одном направлении движутся два теплоносителя - схема "прямотока".

График изменения температур теплоносителей показан на Рис. 25.

Рассмотрим бесконечно малый участок поверхности теплообмена dF, для которого изменением величины t можно пренебречь. Тогда для этого участка расчетные уравнения запишутся так

,

,

,

где - знак (-) во втором уравнении учитывает, что температура t, уменьшается и ее приращение отрицательное;

- t=t₁-t₂ - текущая разность температур.

Найдем приращение t

d(t)=dt₁-dt₂.

Из уравнений баланса следует

и ,

откуда

,

и

,

где

Интегрируя полученное дифференциальное уравнение в пределах от F=0 t=t_б и Q=0, до

F=F t=t_м и Q=0 получим

и ,

Используя уравнение теплопередачи для участка dF и значение

,

получим

Разделяя переменные и интегрируя в тех же пределах получим

Из общего уравнения теплопередачи

,

откуда

.

Полученное выражение называется среднелогарифмической разностью температур и среднелогарифмическим температурным напором.

Аналогично определяется среднелогарифмический температурный напор при противотоке. В рассматриваемом случае например, меняется направление движения второго теплоносителя (пунктир) и его график изменения температур.

При этом и . При этом соотношение этих разностей не имеет значение, т.к. точность формулы t_ср от этого не зависит.

Анализ значений t_ср, полученных по данному уравнению, показывает, что при одинаковых и конечных температурах теплоносителей t_ср для противотока всегда будет больше чем при прямотоке (от 5 до 30% абсолютного значения), что при равной производительности приводит к снижению требуемой поверхности теплообмена F и, соответственно, стоимости аппарата и наоборот.

Второе преимущество теплообменных аппаратов с противотоком состоит в том, что в них возможен нагрев второго теплоносителя до > , что невозможно при прямотоке, где обязательно условие > .

Для сложных теплообменных аппаратов с перекрестным движением теплоносителей средний температурный напор определяется из уравнения

,

где - средний температурный напор для прямотока;

_t=f(P,R) - поправочный коэффициент на характер обтекания поверхности теплообмена, определяемый для каждой конкретной схемы обтекания по справочникам при

и .