Теплообменные аппараты

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одних тел к другим. Тела, отдающие или воспринимающие тепло, называются теплоносителями. В качестве теплоносителей принимаются различные газообразные и жидкие вещества. Большое распространение как греющий теплоноситель получил водяной пар. Его отличают высокие интенсивность теплоотдачи и теплосодержание, постоянство температуры при конденсации, хорошая транспортабельность. Однако использование водяного пара целесообразно лишь в технологиях с умеренными температурами (на уровне 150 С), так как дальнейшее повышение температуры связано со значительным ростом давления пара, что приводит к утяжелению и удорожанию аппарата.

Горячая вода широко используется в отопительных и вентиляционных системах. Она обладает теми же достоинствами, что и водяной пар, но подключение технологических теплообменных аппаратов к тепловым сетям практикуется редко, поскольку температура воды не постоянна, а в летнее время сети вообще отключаются.

Преимуществом топочных газов как теплоносителя является возможность достижения высокой температуры при давлении, близком к атмосферному. Недостатки – низкий коэффициент теплоотдачи от газов к стенке и связанная с этим громоздкость теплообменников, нетранспортабельность газов, что обусловливает их использование на месте получения. Кроме газов для высокотемпературного нагрева применяют минеральные масла, расплавленные соли и металлы.

По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах теплоносители разделены твердыми стенками, образующими поверхность нагрева. В смесительных теплообменниках происходит непосредственное соприкосновение теплоносителей. По конструкции они проще, и в них полнее используется потенциал передаваемого тепла, поэтому их применение предпочтительнее во всех случаях, когда допускается смешение теплоносителей.

Поверхностные теплообменные аппараты делятся на регенеративные и рекуперативные. В рекуперативных аппаратах теплообмен происходит через разделительную стенку, причем тепловой поток сохраняет постоянное направление. Если же два теплоносителя с различной температурой попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева (насадкой), то такой аппарат называют регенеративным. Насадка при омывании горячим теплоносителем нагревается, аккумулируя тепло; затем через насадку пропускают нагреваемую среду, которая воспринимает это тепло. Тепловой поток за полный цикл теплообмена изменяет направление на противоположное. Регенеративные теплообменники в большинстве случаев являются аппаратами периодического действия. Возможно осуществление и непрерывной работы с перемещением насадки в рассечке горячего и холодного потоков. Примером может служить регенератор Юнгстрема с вращающейся насадкой, используемый иногда в качестве воздухонагревателей котлоагрегатов.

Наибольшее распространение имеют рекуперативные теплообменные аппараты различной конструкции: кожухотрубчатые, секционные, спиральные пластинчатые, змеевиковые и др. Они обеспечивают широкий спектр теплоиспользования в энергетике, промышленности и коммунальном хозяйстве в качестве испарителей, подогревателей, конденсаторов, калориферов, отопительных приборов и т. д.

Независимо от устройства и принципа работы теплообменные аппараты должны обеспечивать высокую надежность при длительной эксплуатации, возможность очистки внутренних поверхностей, высокий коэффициент теплоотдачи, технологичность конструкции, приемлемый уровень металлоемкости, возможность транспортирования к месту установки, удобство обслуживания и ремонта, удовлетворение требованиям охраны труда.

Тепловой расчет теплообменных аппаратов разделяют на два вида: конструктивный и поверочный. Задачей конструктивного расчета, который выполняется при разработке нового аппарата, является определение площади поверхности теплообмена, необходимой для передачи заданного теплового потока. При поверочном расчете определяют конечную температуру сред и тепловую производительность для определенного аппарата, конструкция и площадь поверхности которого известны.

Гидромеханический расчет ставит целью определение гидравлических сопротивлений и мощностей, необходимых для перемещения рабочих сред в аппарате.

В основе теплового расчета аппарата лежат два основных уравнения: теплового баланса и теплопередачи.

Уравнение теплового баланса в общем случае имеет вид:

(5.281)

или для однофазных сред:

, (5.282)

где Q – тепловая производительность аппарата, Вт;  = 0,96  0,98 – коэффициент, учитывающий потери тепла аппарата в окружающую среду; М – массовый расход теплоносителя, кг/с; c – теплоемкость среды, Дж/(кгК); индексы «1» и «2» соответствуют греющему и нагреваемому теплоносителям;  энтальпия, Дж/кг, и температура теплоносителей, K, на входе в теплообменник;  то же на выходе из теплообменника.

Уравнение теплопередачи, из которого определяют площадь поверхности теплообмена, записывают в виде:

Q = k F t, (5.283)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²K); F – площадь поверхности теплообмена, м²; t – средний логарифмический температурный напор, K.

Для расчета коэффициента теплопередачи аппарата с цилиндрическими трубками, толщина стенки которых не более 2,5 мм, можно пользоваться формулой, которая применяется для расчета плоской стенки:

, (5.284)

где ₁, ₂ – коэффициенты теплоотдачи со стороны греющего и нагреваемого теплоносителей, Вт/(м²K); ₁, ₁ и ₂, ₂ – толщина слоя загрязнения, м, и коэффициент теплопроводности, Вт/(м²K), соответственно со стороны греющего теплоносителя и нагреваемой среды; _ст, _ст – толщина и коэффициент теплопроводности стенки.

Если аппараты имеют утолщенные стенки труб (при высоком давлении теплоносителя), то коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле для цилиндрической стенки.

Температура обоих теплоносителей изменяется вдоль поверхности теплообмена. Характер изменения температуры для случаев прямоточного и противоточного движения теплоносителей показан на рис. 5.10.

а б

Рис. 5.90

Средний логарифмический температурный напор между теплоносителями определяется по формуле:

, (5.285)

где t_б и t_м – большая и меньшая разность температур на концах теплооб-менника.

При изменении фазового состояния одного из теплоносителей его температура не изменяется и направление движения сред не оказывает влияния на величину t.

В теплообменниках с однофазными средами преимущество имеет противоток, так как в этом случае температурный напор больше. Следовательно, аппарат при противоточном включении теплоносителей имеет большую теплопроизводительность, чем при прямоточном.

Другим преимуществом противотока является более высокий предел использования потенциала греющего теплоносителя. В прямоточной схеме он определяется температурой t₁, а в противоточной – t₁. Эти достоинства противотока предопределяют предпочтительное его применение по сравнению с прямотоком.

Следует отметить, что на расчетное значение поверхности теплообмена влияет не только t, но и коэффициент теплоотдачи, поэтому для его увеличения используют более сложные схемы движения теплоносителей, например перекрестный или параллельно-смешанный ток. В этих случаях t определяется, как для противотока, но с поправками, которые находятся из графиков.

Когда температура рабочих жидкостей вдоль поверхности нагрева изменяется незначительно, средний температурный напор можно вычислить как среднее арифметическое из крайних напоров t и t:

. (5.286)

Среднеарифметическое значение температурного напора всегда больше среднелогарифмического, но при t / t  0,6 они отличаются друг от друга меньше чем на 3 %. Такая погрешность в технических расчетах вполне допустима. При равенстве t и t температурный напор t принимается равным одной из этих разностей.