Справочник строителя | Теплоснабжение

ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Устройство, в котором происходит процесс нагревания или охлаждения, т. е. осуществляется переход теплоты от одного теплоносителя к другому, называют теплообменным аппаратом.

По принципу действия теплообменные аппараты разделяют на рекуперативные, регенеративные, смешивающего типа и с внутренним тепловыделением.

В рекуперативных аппаратах (подогревателях) передача теплоты от греющего (горячего) к нагреваемому (холодному) теплоносителю происходит непрерывно через разделяющую их стенку. Примером такого аппарата может служить водоводяной подогреватель (рис. 1), в котором нагреваемая вода движется внутри трубок 6, закрепленных в трубных досках 3, а в пространство между трубками, ограниченное кожухом 4, поступает горячая вода. Она передает через стенки труб теплоту холодной воде.

Рисунок 1. Водоводяной подогреватель: 1 - патрубок входа нагреваемой воды; 2 - крышка; 3 - трубная доска; 4 - кожух; 5 - перегородки; 6 - трубки; 7 - патрубок входа греющей воды

В регенеративных аппаратах одна и та же поверхность омывается попеременно, то греющим, то нагреваемым теплоносителем (например, в насадках доменной печи). Так как в рекуперативных и регенеративных подогревателях процесс передачи теплоты всегда связан с поверхностью нагрева, то эти аппараты называют также поверхностными.

Процесс теплоотдачи в аппаратах смешивающего типа происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. Эти аппараты применяют, например, для охлаждения или нагревания воды в потоке воздуха или газа. К ним относятся башенные охладители (градирни), деаэраторы, скрубберы и др.

В теплообменных аппаратах с внутренним тепловыделением не два, как обычно, а один теплоноситель, при этом теплота выделяется в самом аппарате. По этому принципу работают электронагреватели, ядерные реакторы и другие установки, действие которых связано с выделением теплоты.

В настоящее время наибольшее распространение получили рекуперативные аппараты. При их разработке применяют два вида расчетов: конструктивный, имеющий целью определение поверхности нагрева F проектируемого аппарата, и поверочный - для определения возможностей уже спроектированного аппарата. При расчетах в обоих случаях используют уравнения теплового баланса и теплопередачи.

Если обозначить G₁ - массовый расход первого (греющего) теплоносителя, кг/с; G₂ - массовый расход второго (нагреваемого) теплоносителя, кг/с; t₁’ и t₁’’ - соответственно температуры греющего теплоносителя на входе в теплообменный аппарат и на выходе из него, К; t’₂ и t’’₂ - соответственно температуры нагреваемого теплоносителя на входе и на выходе, К; с_р1 и с_р2 - соответственно удельные средние массовые теплоемкости при постоянном давлении греющего и нагреваемого теплоносителя, Дж/(кг-К); Q_П - тепловой поток от греющего теплоносителя к нагреваемому, Вт, то уравнение теплового баланса будет иметь вид

а уравнение теплопередачи –

где k - коэффициент теплопередачи; ?t - средний температурный напор.

Греющий теплоноситель при движении по аппарату охлаждается, а нагреваемый - наоборот, поэтому температурный напор, т. е. разность температур теплоносителей, меняется по длине L теплообменника. Средний температурный напор ?t = t₁ - t₂, где t₁ и t₂ - соответственно некоторые средние температуры греющего и нагреваемого теплоносителей.

В зависимости от направления движения потоков теплоносителей различают теплообменные аппараты с противотоком, параллельным, смешанным и перекрестным токами.

При противотоке движение теплоносителей встречное (рис. 2, а); при параллельном токе (прямотоке) греющий и нагреваемый теплоносители движутся вдоль поверхности нагрева в одном направлении (рис. 2, б); при смешанном токе имеют место в различных частях поверхности нагрева оба случая движения, а при перекрестном токе греющая и нагреваемая жидкости движутся под прямым углом друг к другу. Наиболее распространенные схемы теплообменников при перекрестном токе показаны на рис. 3.

Рисунок 2. Схема движения и график изменения температур теплоносителей: а - противоток; б - прямоток

Рисунок 3. Варианты перекрестных токов в теплообменниках: а - одноходовом; б, в - двухходовых; г - трехходовом

Произведение Gc_p= ? называют водяным эквивалентом. Из уравнения (1) получаем:

т. е. изменение температур теплоносителей в теплообменном аппарате обратно пропорционально водяным эквивалентам.

При использовании уравнения (2) надо предварительно определить среднюю разность температур (средний температурный напор):

где ?t_вх и ?t_вых - разность температур греющего и нагреваемого теплоносителей соответственно на входе в теплообменник и на выходе из него.

Отсюда средний температурный напор для случая прямотока

а для противотока

Эти формулы справедливы лишь при условии, что водяные эквиваленты ?₁ и ?₂ и коэффициент теплопередачи k не меняются по длине теплообменника.

Если ?t_вх мало отличается от ?t_вых, то средний температурный напор можно рассчитать по формуле

Полученный результат будет правильным, если изменение температур каждого из теплоносителей происходит по линейному закону. Ошибка от замены средней логарифмической разности температур среднеарифмитической при 0,5 < ?t_вх / ?t_вых < 2 не превышает 4 %.

В теплообменных аппаратах противоток более выгоден, чем прямоток, так как в противоточном теплообменнике можно сильнее нагреть холодный теплоноситель и охладить горячий.

Если греющим теплоносителем является насыщенный пар, температура которого остается при теплообмене неизменной (процесс отдачи теплоты от пара протекает при постоянном давлении), то график изменения температур рабочих тел в теплообменном аппарате будет иметь вид, показанный на рис. 4.

Рисунок 4. График изменения температур греющего и нагреваемого теплоносителей по ходу (по длине L) теплообменного аппарата, когда греющий теплоноситель - насыщенный пар

Средний температурный напор для случая, когда один из теплоносителей (конденсирующийся пар или кипящая вода) имеет постоянную температуру t_H, находят по формуле

На рис. 5 показана схема воздухоподогревателя котельной установки, в котором горячий газ движется по трубам, а нагреваемый воздух омывает эти трубы. Изображенный подогреватель является одноходовым с перекрестным током. Двух- и трехходовой перекрестный ток можно получить, применяя несколько пакетов труб.

Рисунок 5. Схема одноходового воздухоподогревателя

обсудить на форуме

объявления: стройка и ремонт

Поделитесь ссылкой в социальных сетях