Основные положения теплового расчета

Рассмотрим изменение температуры первичного (горячего) и вторичного (холодного) теплоносителей в теплообменном аппарате рекуперативного типа (рис. 5.4). За начало координат принято сечение, через которое втекает теплоотдающая жидкость. По оси абсцисс отложена длина трубы или поверхность теплопередачи F, а по оси ординат – температуры жидкостей; индексами 1 и 2 отмечаются температуры и другие параметры соответственно горячего и холодного теплоносителя. Параметры теплоносителей на входе и выходе из теплообменного аппарата отмечаются одним и двумя штрихами.

Рис. 5.4. Изменение температуры теплоносителей в рекуперативном ТА:

а – при прямоточном движении теплоносителей без фазовых превращений;

б – при противоточном движении теплоносителей без фазовых превращений

При прямотоке (рис. 5.4,а) на входе в теплообменный аппарат разность температур между жидкостями имеет наибольшее значение. При движении жидкостей в теплообменном аппарате разность температур между ними быстро уменьшается, так как жидкости движутся в одном направлении. Температура теплоотдающей жидкости понижается, а температура тепловоспринимающей жидкости увеличивается.

При прямотоке температура тепловоспринимающей жидкости не может подняться выше температуры теплоотдающей жидкости на выходе из теплообменного аппарата.

При противотоке (рис. 5.4, б) температура охлаждаемой жидкости в теплообменном аппарате понижается более интенсивно, так как горячая жидкость встречает все более и более холодную охлаждающую жидкость, поэтому при противотоке можно нагреть охлаждающую (тепловоспринимающую) жидкость выше температуры выходящей охлаждаемой (теплоотдающей) жидкости, т.е. в этом случае возможно .

Разность температур между обеими теплообменивающимися жидкостями не изменяется очень резко, как это наблюдается при прямотоке. Среднее значение температурного напора

(5.1)

при противотоке получается больше, чем при прямотоке (величины t_вх и t_вых в случае прямотока и противотока обозначены на рис. 5.4). Поэтому при одной и тоже площади рабочей поверхности F величина теплового потока от горячего теплоносителя к холодному больше при противотоке, чем при прямотоке:

, (5.2)

здесь k – коэффициент теплопередачи.

При опытном исследовании теплообменника величина Q может быть определена по изменению энтальпии теплоносителей:

. (5.3)

Здесь G₁ и G₂ – массовые расходы теплоносителей, С_p1 и С_p2 – их теплоемкости. Реально Q₁ больше Q₂ из-за потерь тепла через внешний кожух теплообменника. Отношение количества теплоты, воспринятой холодным теплоносителем, к количеству теплоту, отданной горячим теплоносителем, называется коэффициентом тепловых потерь.

Тепловой расчет теплообменника может быть выполнен с использованием понятия тепловой эффективности, представляющей собой отношение теплового потока Q рассматриваемого теплообменника к тепловому потоку Q_ид, который может передать греющий теплоноситель в идеальных условиях, т.е. в случае бесконечно большого коэффициента теплопередачи или в случае передачи теплоты в теплообменнике с бесконечно большой площадью поверхности теплопередачи

. (5.4)

Здесь ,– полные теплоемкости массовых расходов теплоносителей; G₁ и G₂ – массовые расходы теплоносителей; Cp₁ и Cp₂ – удельные изобарные теплоемкости теплоносителей; W_min – минимальное значение из W₁ и W₂.

Для однократного перекрестного тока, когда оба теплоносителя абсолютно не перемешаны

, (5.5)

где A = W_min/W_max, R = W_max/W_min – функции полных теплоемкостей массовых расходов; S = KF/W_min – число единиц переноса теплоты в теплообменнике, с – коэффициент теплопередачи, F – площадь теплопередающей поверхности.

Для двукратного перекрестного тока с противоточным включением ходов

. (5.6)

Вычислив тепловую эффективность ₂, с помощью выражения (5.7) можно определить:

тепловой поток, передаваемый в теплообменнике

; (5.7)

выходные температуры теплоносителей

, (5.8)

. (5.9)