Теплообменные аппараты Теплопередача при переменных температурах теплоносителя

Температуры теплоносителей обычно изменяются вдоль поверхности теплообмена F, разделяющей их стенки. При этом температуры могут оставаться постоянными во времени в каждой точке пространства и выражаться зависимостью t=f(F), что характеризует установившиеся процессы теплообмена.

Теплопередача при переменных температурах зависит от взаимного направления движения теплоносителей. Возможны следующие варианты направления движения теплоносителей относительно друг друга вдоль разделяющей их стенки:

1. прямоток (параллельный ток), при котором теплоносители движутся в одном и том же направлении ;

2. противоток, теплоносители движутся в противоположных направлениях ;

3. перекрестный ток, при котором теплоносители движутся перпендикулярно друг друга ;

4. смешанный ток, при котором один теплоноситель движется в одном направлении, а другой как прямотоком, так и противотоком:

- перекрестный противоток ;

- перекрестный прямоток ;

- возвратный ток .

Движущая сила процессов теплопередачи при переменных температурах изменяется в зависимости от вида взаимного направления движения теплоносителей.

Схемы изменения температур теплоносителей при прямотоке и противотоке

Индексы: 1 – горячий теплоноситель; 2 – холодный теплоноситель; t´ - температура на входе; t´´ - на выходе.

Средний температурный напор для прямо- и противоточных теплообменников представляет собой среднюю логарифмическую разность температур:

.

Для прямотока .

Для противотока .

Если ∆t_б/∆t_м<2, то средний температурный напор определяется как среднеарифметическое:

.

Для других схем движения ∆t_ср определяют, пользуясь поправочным коэффициентом ε, определяемым из таблиц.

Уравнение теплопередачи при переменных температурах теплоносителей имеет вид:

.

Выбор направления движения теплоносителя

Для сравнительной оценки прямотока и противотока сопоставим эти направления с точки зрения расхода теплоносителей и средней разности температур.

В случае прямотока конечная температура холодного теплоносителя не может быть выше конечной температуры горячего теплоносителя .

В случае противотока холодный теплоноситель с той же начальной температурой , что и при прямотоке может нагреться до более высокой температуры , близкой к начальной температуре горячего теплоносителя. Это позволяет сократить расход более холодного теплоносителя, но одновременно приводит к уменьшению средней разности температур и к увеличению необходимой поверхности теплообмена.

Экономический эффект достигаемый вследствие уменьшения расхода превышает дополнительные затраты, связанные с увеличением размеров теплообменника. Т.о. применение противотока более экономно.

Сопоставим противоток с прямотоком при одних и тех же начальных и конечных температурах теплоносителей. В этом случае средняя разность температур при противотоке больше, чем при прямотоке при одинаковых расходах. Поэтому скорость теплообмена при противотоке больше, что и обусловило преимущество противотока.

Однако в некоторых случаях выбор направления движения теплоносителей прямотоком диктуется технологическими соображениями. Например, недопустим перегрев холодного теплоносителя в конце нагрева.