Теплообменные аппараты

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от греющего теплоносителя (с более высокой температурой) к нагреваемому теплоносителю (с низкой температурой).

В качестве теплоносителей в теплообменниках используют водяной пар, горячую воду, воздух, дымовые газы и другие тела.

В зависимости от способа передачи теплоты и конструктивного оформления теплообменные аппараты делят на смесительные, регенеративные и рекуперативные.

Смесительные теплообменники наиболее просты. Теплообмен в них осуществляется при непосредственном перемешивании теплоносителей. В практике данные теплообменники находят применение для поддержания заданных температур в системах горячего водоснабжения, в радиаторах отопления, в которых смешивают воду, идущую от котельной или ТЭЦ, с водой обратной (возвращающейся от потребителя).

Примеры смесительных теплообменников – башенные охладители (градирин), струйные конденсаторы, дегазаторы и т. п.

В регенеративных теплообменниках процесс теплообмена между греющей и нагреваемой средами происходит следующим образом: поверхность нагрева (специальная насадка из кирпича, керамики, металла или другого материала) омывается греющим теплоносителем (продукты сгорания топлив, пар и т. п.), в результате чего ее температура повышается. Затем подача греющего теплоносителя прекращается, а на нагретую поверхность направляется поток нагреваемого теплоносителя, который отнимает от нее теплоту. Далее процесс повторяется.

Следовательно, регенеративные теплообменники являются аппаратами периодического действия. Примеры регенеративных теплообменников – отопительные печи, воздухоподогреватели доменных печей и т. д.

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты от греющего теплоносителя к нагреваемому осуществляется через разделяющую их твердую стенку, например через стенку трубы в пароперегревателе и экономайзере котельной установки, в бойлере системы отопления, подогревателя питательной воды и т. д.

Количество теплоты, передаваемой в рекуперативном теплообменнике от греющего теплоносителя к нагреваемому, зависит от средней разности температур между ними (Dt) по поверхности теплообмена, или среднего температурного напора.

Величина Dt определяется взаимным направлением движения греющего и нагреваемого теплоносителей: если теплоносители имеют противоположное направление, теплообменники называются противоточными; при движении теплоносителей в одном направлении – прямоточными, если теплоносители движутся под углом друг к другу – перекрестными.

На рисунке 39, а, б, представлены принципиальные схемы прямоточного и противоточного рекуперативных теплообменников и графики изменения температур греющего и нагреваемого теплоносителей при прямотоке и противотоке.

Рис. 39. Схемы изменения температур теплоносителей в зависимости от вида их движения:

а – прямоток; б – противоток.

При тепловых расчетах теплообменных аппаратов определяют либо поверхность (F, м²) теплообмена, либо мощность теплового потока (Q, Вт) и температуру нагреваемого теплоносителя (t₁²) на выходе.

Для решения этих задач используют уравнения теплового баланса и теплопередачи.

Уравнение теплового баланса утверждает, что при отсутствии потерь теплоты в окружающее пространство через стенки аппарата (в действительности эти потери составляют 1…8%) количество теплоты, теряемое греющим теплоносителем в единицу времени (Q₂), равно количеству теплоты, воспринятой нагреваемым холодным теплоносителем (Q₁):

Q₁ = Q₂. (175)

Зная температуры греющего и нагреваемого теплоносителей на входе (t¢₁ и t¢₂, см. рис. 39) и выходе (t²₁ и t²₂) из теплообменника, расходы теплоносителей (G₂ и G₁, кг/с) и их средние массовые теплоемкости (С_р2 и С_р1, Дж/(кг ^. К)), можно подсчитать и мощность тепловых потоков Q₁ и Q₂:

Q₁ = G₁C_p1 (t²₁ – t¢₁),

Q₂ = G₂C_p2 (t¢₂ – t²₂). (176)

Решая систему этих уравнений, можно определить либо расход одного из теплоносителей, либо одну из температур.

Уравнение теплопередачи показывает, что теплота Q₂ = Q₁ передается от греющего теплоносителя к нагреваемому через стенку площадью F (м²) и определяется произведением коэффициента теплопередачи k Вт/(м^{2 .} К) на средний температурный напор (Dt ⁰C) между теплоносителями:

Q₁ = Q₂ = k F Dt. (177)

Средний температурный напор Dt зависит от вида движения теплоносителей (прямоток, противоток):

(178)

Величины Dtб и Dtм для случаев прямотока и противотока следует принимать из рисунка 39, а для более сложных схем движения теплоносителей – из справочной литературы.

Рекуперативные теплообменники противоточного типа в практике используют значительно чаще, поскольку они имеют при одинаковых с прямотоком значениях температур теплоносителей большее значение Dt, а следовательно, меньшую площадь теплообмена F (м²), то есть они более компактны.

Контрольные вопросы и задания. 1. Что означает сложный теплообмен? 2. Как рассчитать теплопередачу через однослойную плоскую стенку? 3. Напишите выражение для подсчета коэффициента теплопередачи К, укажите его размерность. 4. Дайте понятие термического сопротивления R, укажите его размерность.5. Как рассчитать теплопередачу через цилиндрическую стенку? 6. Дайте понятия линейного коэффициента теплопередачи и линейного термического сопротивления, укажите их размерность. 7. Какие способы интенсификации теплопередачи вы знаете? 8. Как влияют отложения сажи и накипи на эксплуатационные показатели котельного агрегата? 9. Расскажите о назначении и основных свойствах теплоизоляционных материалов. 10. Дайте определение теплообменных аппаратов, назовите виды теплообменников. 11. Нарисуйте схему изменения температур теплоносителей по длине теплообменника при прямотоке и противотоке, напишите формулу для подсчета Dt.