8.4. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором передача теплоты осуществляется от одного - горячего носителя к другому - холодному.

По принципу действия теплообменные аппараты бывают: рекуперативные, регенеративные и сме­шивающего типа.

Рекуперативными называют теплообменные аппараты, в которых теплоносители протекают одно­временно, а теплота передается через разделяющую их стенку.

Регенеративными называют теплообменные аппараты, в которых одна и та же поверхность омыва­ется вначале горячей, а затем холодной жидкостью, т.е. происходит попеременное нагревание или ох­лаждение поверхности.

В смесительных теплообменных аппаратах передача теплоты осуществляется путем непосредст­венного соприкосновения теплоносителей.

Теплообменные аппараты классифицируются и по относительному характеру движения теплоноси­телей:

прямоточные - горячий и холодный теплоносители движутся в одинаковом направлении;

противоточные - горячий и холодный теплоносители движутся в противоположном направлении;

перекрестные - теплоносители движутся перекрестным ходом.

При конструктивном расчете обычно стремятся определить необходимую поверхность теплообме­на, а при поверочном расчете - температуру горячей и холодной жидкостей на выходе из теплообмен-ного аппарата. В основе обоих расчетов лежат уравнения:

теплопередачи:

Q = kF (71с, - ?2ср) = kFA^, Вт; (8.18)

теплового баланса:

Q1 = Q2 + AQ,

где k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 • К); F - площадь поверхности теплообмена, м2; Т1ср -средняя температура горячего теплоносителя в теплообменном аппарате, К; Т2ср - средняя температура холодного теплоносителя; АТср - среднелогарифмический температурный напор в теплообменном аппа­рате, К; Q1 - количество теплоты, отданное горячим теплоносителем, Вт; Q2 - количество теплоты, вос­принятое холодным теплоносителем, Вт; AQ - потери теплоты теплообменником в окружающую среду,

Вт.

Соответственно:

Q = ВД'-Г/') = аЛ(71'-Г/'); (8.19)

Q2 = ад - Г/) = G2c2{T21 - 72'),

где W1 и W2 - водяные эквиваленты горячего и холодного теплоносителей; T1 ' и T1' - температу­ры горячего теплоносителя на входе и на выходе из теплообменного аппарата; 72 и 72 - температуры

холодного теплоносителя на входе и на выходе из теплообменника; G1 и G2 - массовые секундные рас­ходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с; с1 и с2 - удельные массовые теплоемкости теплоноси­телей при постоянном давлении, Дж/(кг • К).

В теплообменниках одна жидкость отдает теплоту, другая непрерывно ее получает, и температура сред 7' и 7", Г2' и T2", а следовательно, и температурный напор АТ меняются по ходу движения жидко­стей-теплоносителей. Характер такого изменения поверхности определяется расходом теплоносителей, их теплоемкостями и взаимным направлением движения. Массовый секундный расход теплоносителя G = pcof где р - плотность теплоносителя, кг/м3; со - скорость теплоносителя, м/с; f - сечение канала, м2.

Схема изменения температуры горячего и холодного теплоносителей в прямоточном и противоточ-ном теплообменном аппарате показана на рис. 8.4. Очевидно, что наибольшая разность температур AT ' при прямотоке будет на входе в теплообменник, а наименьшая AT ' - на выходе из него. В противоточ-ной схеме место наибольшей и наименьшей разностей заранее определить нельзя, оно зависит от мно­гих причин.

Средний температурный напор в прямоточных и противоточных аппаратах определяется исходя из математических представлений о среднем значении температуры AT* на участке dF*:

AT* = — fAT,dF,. f j

1 * 0

Если температуры теплоносителей вдоль поверхности нагрева меняются незначительно (если AT ' / AT '> 0,5 или AT ' / AT ''< 1,7), то температурный напор AT можно считать как средний арифметиче­ский:

AT = 0,5 ( AT ' + AT ').


Во всех остальных случаях температурный напор считают как средний логарифмический. Значение среднеарифметического температурного напора всегда больше среднелогарифмического.

Среднелогарифмический температурный напор в прямоточных AT^ и противоточных AT; аппа­ратах определяется из соотношений:

Полученные формулы можно свести в одну, если через AT6 обозначить больший, а через AУм мень­ший температурные напоры между рабочими жидкостями. Окончательная формула среднелогарифми-ческого температурного напора в прямоточных и противоточных аппаратах примет вид:

(8.21)

AT м

м

Из схемы (рис. 8.4) видно, что температурный напор AT вдоль поверхности F при прямотоке изме­няется сильнее, чем при противотоке. Вместе с тем среднее значение температурного напора при про­тивотоке больше, чем при прямотоке. За счет этого фактора при противотоке теплообменник получает­ся компактнее. Поэтому в противоточных аппаратах, при прочих одинаковых условиях, либо меньше площадь теплообмена, либо передается большее количество теплоты. Кроме того, только при противо­токе можно получить температуру нагреваемой жидкости выше, чем конечная температура горячего теплоносителя.

В то же время при весьма высоких температурах горячего теплоносителя прямоточная схема оказы­вается предпочтительнее, ибо материал аппарата работает в более благоприятных термических услови­ях и менее подвержен разрушению.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я