13 ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ 13.1 Классификация теплообменных аппаратов Теплообменный аппарат - устройство, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. По принципу действия: рекуперативные регенеративные смесительные

Рекуперативные - аппараты, в которых теплота от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку (парогенераторы, подогреватели, конденсаторы и т. п.)

Регенеративные - аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячей жидкости теплота воспринимается стенками аппарата и в них аккумулируется, при протекании холодной жидкости эта аккумулированная теплота ею воспринимается (регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей и др.)

В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей (башенные охладители (градирни), скрубберы и др.)

13.2 Рекуперативные аппараты Тепловой расчет теплообменного аппарата конструкторским, целью которого является определение площади теплообмена поверочным, при котором устанавливается режим работы аппарата и определяются конечные температуры теплоносителя

уравнение теплопередачи (13.1) уравнение теплового баланса (13.2)

– количество теплоты, отданное горячим теплоносителем ; – количество теплоты, воспринятое холодным теплоносителем ; ΔQ – потери теплоты в окружающую среду; G 1,G 2 – массовые расходы горячего и холодного теплоносителей; δi 1, δi 2 – изменение энтальпии теплоносителей; с р 1, с р 2 – удельные теплоемкости теплоносителей при постоянном давлении; t / 1, t / 2 – температуры горячего теплоносителя на входе и выходе из аппарата; t // 1, t // 2 – температуры холодного теплоносителя на входе и выходе его из аппарата.

В тепловых расчетах важное значение имеет величина, называемая водяным эквивалентом W, Вт/°С где G = swf – массовый расход теплоносителя; w – скорость теплоносителя; ρ – плотность теплоносителя; f – площадь сечения канала.

где dt 1 и dt 2 – изменения температуры рабочих жидкостей на элементе поверхности. Схемы движения жидкостей в теплообменных аппаратах А) прямоточная - Если в теплообменном аппарате горячая и холодная жидкости протекают параллельно и в одном направлении Б) противоток - если жидкости протекают параллельно, но в прямо противоположном направлении В) перекрестный ток - если жидкости протекают в перекрестном направлении

Схемы движения рабочих жидкостей в теплообменниках

Характер изменения температур рабочих жидкостей при прямотоке (а) и противотоке (б).

Средний температурный напор Количество теплоты, передаваемое в единицу времени от горячей жидкости к холодной через элемент поверхности dF определяется уравнением

Изменение температурного напора где

где Δt – местное значение температурного напора (t 1 -t 2 ), относящееся к элементу поверхности теплообмена, Δt / – на входе в аппарат.

Среднелогарифмический температурный напор при прямотоке Среднелогарифмический температурный напор при противотоке

окончательная формула среднелогарифмического температурного напора для прямотока и противотока Δt б - больший, Δt м - меньший температурные напоры между рабочими жидкостями.

когда температура рабочих жидкостей вдоль поверхности нагрева изменяется незначительно, средний температурный напор можно вычислить как среднеарифметическое из крайних напоров

Для аппаратов со смешанным током задача осреднения температурного напора отличается сложностью математических выкладок. Результат решения обычно представляют в виде графиков. Сначала вычисляют средний температурный напор при противотоке, затем вспомогательные параметры, позволяющие по графикам определить поправку ε Δt на температурный напор:

Для перекрёстного тока предложена формула: где - располагаемый температурный напор,

Коэффициент теплопередачи Для жидкости с большим водяным эквивалентном средняя температура берется как среднеарифметическое из крайних значений, например, t б =0,5(t б / +t б // ). При этом для другой жидкости, с меньшим водяным эквивалентом, средняя температура определяется из соотношения t м = t б / ± Δt. Среднеарифметический коэффициент теплопередачи

Универсальная методика базируется на концепции экспоненциального изменения коэффициента k по поверхности площадью F, что очень близко к действительности. В случае наиболее сильного влияния на коэффициент теплопередачи изменения теплофизических свойств греющего теплоносителя где k' – коэффициент теплопередачи на горячем конце теплообменника, причем горячим считается конец теплообменника с самой высокой температурой теплоносителя, изменение теплофизических свойств которого наиболее сильно влияет на коэффициент теплопередачи. Определяющие температуры принимаются равными температурам тепло­носителей на горячем конце теплообменника; k" – то же, но на холодном конце теплообменника.

Если резко меняются условия омывания поверхности нагрева рабочей жидкостью, где F 1, F 2, F 3 – отдельные участки площади поверхности нагрева; k 1, k 2, k 3 – средние значения коэффициента теплопередачи на этих участках.

Расчет конечной температуры рабочих жидкостей Зная количество переданной теплоты Q, по формулам (а) и (б) определить и конечные температуры рабочих жидкостей (а)(б)