6. Теплообменные аппараты.   6. 1. Типы теплообменных аппаратов

6. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

     Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от нагретого более теплоносителя к менее нагретому. Процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому – один из наиболее важных и часто исполь-зуемых во многих отраслях техники процессов. Теплообменники при-меняются в процессах нагревания, охлаждения, испарения, кондесации, плавления, кристаллизации и др. В частности, это экранные трубы в топках паровых и водогрейных котлов, где получение пара или горячей воды основано на теплообмене между продуктами сгорания органичес-кого топлива и водой; это конденсаторы, пароперегреватели, воздухо-подогреватели, экономайзеры, маслоохладители, радиаторы и т. д.

В теплообменных аппаратах в качестве теплоносителей могут использоваться газы, пары и капельные жидкости. В теплообменниках – котлах и конденсаторах, существенную роль играет изменение фазового состояния (переход жидкости в пар или наоборот) одного из теплоно-сителей. В этих случаях изменение температуры этого теплоносителя обычно настолько мало, что им можно пренебречь.

 

     6. 1. ТИПЫ ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

  По способу передачи теплоты различают поверхностные и контактные ( смесительные ) теплообменные аппараты. Поверхно-стные теплообменные аппараты разделяют на рекуперативные и регенеративные.

Врекуперативны х теплообменниках теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их твердую стенку. При этом подразумевается, что процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер, а оба потока теплоносителей проходят через теплообменник одновременно. Рекуперативные теплообменники различают по схеме относительного движения теплоносителей и взаимной геометрии этих течений (рис. 6. 1) – проти-воточные, прямоточные, с перекрестным током без противотока и с противотоком и др.; по конструкции (рис. 6. 3)– тубчатые, пластинчатые и оребренные. В трубчатых теплообменниках используют гладкие прямые и змеевиковые трубы, а также трубы с оребрением. В пластинчатом теплообменнике рабочая поверхность выполнена из листового материала (рис. 6. 3, д). Каналы между пластинами объединены через один общими коллекторами и образуют, таким образом, полости для каждого из теплоносителей.

В противоточном рекуперативном теплообменнике два теплоноси-теля движутся параллельно друг другу, но в противоположных направлениях. Этот тип течения схематично представлен на рис. 6. 1, б и рис. 6. 3, б, где изображена одиночная труба относительно малого диаметра, расположенная коаксиально внутри трубы большого диаметра. Один теплоноситель течет по внутренней трубе, другой – в кольцевом пространстве между двумя трубами. На практике внутри одной трубы большого диаметра (кожуха) может быть расположено значительное число труб. Противоточные рекуперативные теплооб-менники наиболее эффективны с точки зрения передачи теплоты, поскольку обеспечивают наилучшее использование располагаемой разности температур, в них также может быть достигнуто наибольшее изменение температуры каждого теплоносителя.

 

 

      Рис. 6. 1. Схемы движения теплоносителей: прямоток (а);

        противоток (б); смешанный (в) и перекрестный (г) ток

 

В прямоточном теплообменнике два теплоносителя движутся также параллельно друг другу, но в одном и том же направлении. Схематически такой теплообменник изображен на рис. 6. 1, а. При значительном изменении температуры теплоносителей располагаемая разность температур в таком теплообменнике используется плохо. С точки зрения передачи теплоты такая схема является самой неэффективной.

В рекуперативном теплообменнике с перекрестным током без противотока два теплоносителя движутся под прямым углом друг к другу. Например, первый поток может течь внутри труб, собранных в пучок, тогда как второй поток может двигаться в пространстве между трубами в направлении в целом перпендикулярном оси этих труб. Схематично эти теплообменники изображены так, как это показано на рис. 6. 1, г и рис. 6. 2. По своей эффективности рекуперативные теплообменники с перекрестным током занимают прмежуточное положение между теплообменниками с противотоком и прямотоком. Однако эти теплообменники сконструировать проще, чем указанные выше типы аппаратов.

 

            

              Рис. 6. 2. Схема рекуперативного теплообменника

                                      с перекрестным током

 

Рекуперативные теплообменники, имеющие перекрестный ток с противотоком (рис. 6. 3, а, в), можно рассматривать как компромиссный вариант между требованием высокой эффективности аппарата и простотой конструкции. Чем больше число ходов в таком теплообмен-нике, тем ближе он по экономичности к противоточному варианту.

 

В общем случае при выборе схемы движения теплоносителей в рекуперативных теплообменниках стараются добиться приблизительно одинаковой разности между температурами теплоносителей по всей поверхности теплообмена.

В регенеративных теплообменных аппаратах имеют место неста-ционарные процессы переноса теплоты, так как два теплоносителя проходят через одно и то же пространство попеременно. Передача теплоты осуществляется путем поочередного соприкосновения тепло-носителей с одними и теми же поверхностями аппарата. Во время

 

 

         Рис. 6. 3. Конструкции рекуперативных теплообмеников:

      а – змеевиковый; б – типа «труба в трубе»; в – кожухотрубный;

              г – трубчатый воздухонагреватель; д – пластинчатый

 

В общем случае при выборе схемы движения теплоносителей в рекуперативных теплообменниках стараются добиться приблизительно одинаковой разности между температурами теплоносителей по всей поверхности теплообмена.

В регенеративных теплообменных аппаратах имеют место неста-ционарные процессы переноса теплоты, так как два теплоносителя проходят через одно и то же пространство попеременно. Передача теплоты осуществляется путем поочередного соприкосновения тепло-носителей с одними и теми же поверхностями аппарата. Во время соприкосновения с «горячим» теплоносителем стенки регенератора на-греваются, с «холодным» - охлаждаются, нагревая его. Регенеративные теплообменные аппараты могут быть выполнены с противотоком, прямотоком или с перекрестным течением теплоносителей так же, как и рекуперативные теплообменники. Регенератор с периодическим пере-ключением теплоносителей состоит из нескольких камер, заполненных керамической или металлической насадкой, в камеры поочередно поступают горячие дымовые газы и нагреваемые воздух или газообразное топливо. В регенеративных теплообменниках с непрерывным переключением теплоносителей либо насадка, выполненная из металла или другого материала, поочередно входит в зону омывания теплоносителями, либо насадка неподвижна, а вращаются воздушные патрубки, размещенные внутри газовых коробов (рис. 6. 4). Регенераторы с периодическим переключением теплоносителей обеспечивают подогрев воздуха до 1000-1200^оС, а с непрерывным переключением – до 400^оС. Однако последние значительно компактнее и дешевле.

 

 

Рис. 6. 4. Схема регенератора с непрерывным переключением телоноси-                               

  теля: 1 – насадка; 2 – воздушный патрубок; 3 – газовый короб

В контактных (смесительных) теплообменных аппаратах (градирнях, скрубберах, смесительных, барботажных и др. ) перенос теплоты обеспечивается при непосредственном контакте теплоносителей без разделяющей их твердой поверхности.. При этом процесс теплообмена сопровождается частичным или полным смешением теплоносителей (массопереносом). Во многих случаях контактные теплообменники целесообразно использовать для таких теплоносителей, которые можно легко разделить после теплообменного оппарата. Например, такой парой теплоносителей является вода и воздух. Принцип действия контактных (смесительных) теплообменных аппаратов наглядно иллюстрирует бытовой кран-смеситель холодной и горячей воды.

Наиболее важным фактором в рабочем процессе контактного теплообменного аппарата является величина поверхности соприкос-новения теплоносителей, которая зависит от степени дробления жид-кости.

Из трех рассмотренных выше типов теплообменных аппаратов наиболее распространенными являются рекуперативные теплооб-менники, которые работают в установившемся тепловом режиме. Поэтому ограничимся их рассмотрением и будем рассматривать тепловой расчет и выбор параметров только для рекуперативных тепло-обменников, опуская в дальнейшем признаки способа передачи теплоты и характера теплового режима.

 

 

      6. 2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНОГО

                                    ТЕПЛООБМЕННИКА

     При расчете теплообменников обычно встречаются два случая: конструктивный расчет с целью определения величины рабочей поверхности теплообменника; проверочный расчет, когда известны поверхность теплообмена и конструкция аппарата, с целью определения температур теплоносителей на выходе из теплообменника и количество передаваемой теплоты.

В обоих случаях основными расчетными уравнениями служат уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи.

Уравнение теплового баланса теплообменника при отсутствии тепловых потерь в окружающую среду и фазовых переходов фор-мулируется следующим образом: тепловой поток Q₁ от теплоотдающего теплоносителя равен тепловому потоку  Q₂ к тепловоспринимающему теплоносителю (Q₁ = Q₂ =Q), и записывается так:   

 

                             Q = m₁c_р1(Т'₁- Т" ₁) = m₂c_р2(Т" ₂- Т'₂),                 (6. 1)

 

где m₁ и m₂ – массовые расходы теплоносителей, кг/с;

   с_р1 и с_р2 - средние массовые теплоемкости теплоносителей при по-

                    стоянном давлении в интервале температур от Т' до Т";

 Т'₁ и Т'₂ - температуры теплоносителей при входе в аппарат, К;  

   Т" ₁ и Т" ₂ - температуры теплоносителей при выходе из аппарата.

Обозначим произведение массового расхода жидкости на среднюю теплоемкость через W, а изменение температуры теплоносителя в пределах теплообменного аппарата через ∆ Т, т. е.:

 

        W₁ = m₁c_р1; W₂ = m₂c_р2; ∆ Т₁ = Т'₁- Т" ₁; ∆ Т₂ = Т" ₂- Т'₂;     (6. 2)

 

Величину W называют условным эквивалентом.

С учетом (6. 2) уравнение теплового баланса может быть представлено в следующем виде:

 

                                         ∆ Т₁/∆ Т₂ = W₂/W₁.                                    (6. 3)

 

Следовательно, изменения температур теплоносителей обратно про-порциональны их условным эквивалентам.

Соотношение между величинами условных эквивалентов горячего и холодного теплоносителей определяет наклон температурных кривых на графиках изменения температур. Например, если W₁ = 2W₂, то изменение температуры холодного теплоносителя будет вдвое больше изменения температуры горячего теплоносителя.

На рис. 6. 5 показаны характерные кривые изменения температур теплоносителей при движении их вдоль поверхности нагрева площадью F в зависимости от соотношения W₁/W₂ для прямотока и противотока.

Рассмотрим теперь уравнение теплопередачи. При выводе основного уравнения теплопередачи (5. 1):

                                     

                                     Q = kF(Т_ж1 – Т_ж2) = kF∆ Т_ж                            (6. 4)

 

принималось, что температуры горячего Т_ж1 и холодного Т_ж2 теплоносителей при передаче тепла через твердую стенку не изменяются. В действительности по всей длине теплообменника происходит передача теплоты от греющей жидкости к нагреваемой, в результате изменяются температуры обеих жидкостей по длине каналов, причем, как видно из рис. 6. 1, на изменение температур большое влияние оказывают схема движения теплоносителей и величины условных эквивалентов.

 

 

       Рис. 6. 5. Изменение температур теплоносителей при различных

        схемах их движения: а – прямоток; б – противоток

 

Поэтому для теплообменного аппарата уравнение теплопередачи (5. 1) приобретет вид:

                                               _F

                                        Q = ∫ k∆ ТdF = kF∆ Т_cр,                               (6. 5)

                                               ⁰

где k – средний коэффициент теплопередачи;

  F – площадь поверхности нагрева теплообменного аппарата;

∆ Т_cр – средняя разность температур греющей и нагреваемой жидкости.

На основании несложных математических операций можно получить значение средней разности температур в виде:

 

                              ∆ Т_cр = ( ∆ Т_б - ∆ Т_м)/ln (∆ Т_б/∆ Т_м),                    (6. 6)

 

где ∆ Т_б и ∆ Т_м - больший и меньший температурные напоры между рабочими жидкостями (разности температур теплоносителей на входе в теплообменник и выходе из него) вне зависимости от схемы движения жидкости (прямоток или противоток).

Для теплообменных аппаратов с прямотоком

 

                            ∆ Т_б = Т'₁ - Т'₂; ∆ Т_м = Т" ₁ - Т" ₂.                      (6. 7)

 

Для теплообменных аппаратов с противотоком

 

                               ∆ Т_б = Т'₁- Т" ₂; ∆ Т_м = Т" ₁- Т'₂.                      (6. 8)

 

Величину ∆ Т_cр называют средним логарифмическим температур-ным напором.

Если температура одного из теплоносителей в пределах поверхности теплообмена остается постоянной (рис. 6. 6) и равной температуре Т_s фазового превращения (испарения или конденсации), то средний логарифмический температурный напор определится по формуле:

 

                            ∆ Т_cр = (Т' - Т_s) / ln [(Т' - Т_s) /(Т" - Т_s),                 (6. 9)

 

где  Т' и  Т" – температуры теплоносителя без фазового превращения на входе в теплообменный аппарат и выходе из него.

При ∆ Т_б/∆ Т_м < 1, 7 величины ∆ Т_б и ∆ Т_м незначительно отличаются друг от друга. Поэтому вместо выражения (6. 6) можно воспользоваться формулой среднеарифметического температурного напора:

 

                                        ∆ Т_cр = 0, 5(∆ Т_б + ∆ Т_м).                               (6. 10)

 

В этом случае разница между среднелогарифмическим и среднеариф-метическим температурными напорами не превысит 3%.

Определение среднего температурного напора для теплообменников с перекрестным током и другими более сложными схемами движения теплоносителей производят по следующей формуле:

 

                                            ∆ Т_cр = ∆ Т_{cр. прот.} ε _{∆ Т},                               (6. 11)

 

где ∆ Т_{cр. прот.} - средний логарифмический температурный напор – опре-

                  деляют, как для теплообменника с противотоком, по фор-

                  муле (6. 6);

         ε _{∆ Т}  - поправочный коэффициент, меньший единицы, зависящий

                 от двух вспомогательных величин:

 

                               P = (Т" ₂- Т'₂)/(Т'₁ – Т'₂) = ∆ Т₂/∆ Т;                   (6. 12)

 

                               R = ( Т'₁ - Т" ₁)/(Т" ₂- Т'₂) = ∆ Т₁/∆ Т₂.               (6. 13)

 

Зависимости ε _{∆ Т}  = f (P, R) рассчитаны для различных схем движения теплоносителей и приводятся в справочной литературе.

 

                                     

       Рис. 6. 6. Изменение температур теплоносителей при фазовых

                    превращениях: а – испарение; б - конденсация

 

 

Выше уже отмечалось, что противоточная схема является наиболее эффективной по сравнению с другими схемами. Критерием для оценки эффективности служит значение среднего температурного напора ∆ Т_cр (6. 6); в противоточной схеме он оказывается больше, чем в прямо-точной. Следовательно, рабочая поверхность теплообменника с проти-воточной схемой движения теплоносителя будет меньше, чем с прямоточной. Значит, при прочих равных условиях он будет наиболее компактным, а затраты материала на его изготовление – наименьшими. Кроме того, при осуществлении противотока можно получить более высокую конечную температуру Т" ₂ для нагреваемой жидкости, чем при прямотоке; Т" ₂ может стать даже выше температуры Т" ₁ греющей жидкости на выходе, что в прямоточной схеме невозможно.

Следует заметить, что противоточная схема движения теплоносите-лей не всегда имеет существенные преимущества перед прямоточной. Так, расчеты показывают, что при большой разнице между условными эквивалентами греющего и нагреваемого теплоносителей (W₁/W₂  < 0, 05 или W₁/W₂  > 10) и при kF/W₁ → 0 обе схемы становятся равноценными. Первое условие равнозначно несущественному изменению температуры одного из теплоносителей (например, при изменении его агрегатного состояния – кипение или конденсация). Второе условие означает, что средний температурный напор значительно превышает изменение температуры одного из теплоносителей.

При сравнении противоточной и перекрестной схем движения теплоносителей необходимо принять во внимание не только изменение величины среднего температурного напора, но и изменение условий теплообмена. При одинаковом гидравлическом сопротивлении и условии Nu /Pr^{0, 4} < 58 поперечное обтекание позволяет получить бо'льшую величину коэффициента теплоотдачи, чем продольное обтекание труб. Поэтому возможны такие условия, при которых теплообменник с перекрестным током при прочих равных условиях будет иметь меньшую поверхность теплообмена.

При конструктивном расчете должны быть известны расход теплоносителей, их температуры на входе Т'₁, Т'₂ и выходе Т" ₁, Т" ₂ и теплоемкости; искомая величина - рабочая поверхность теплообменного аппарата.

Массовый расход (кг/с) определяется по формуле:

 

                                                 m = wА_пρ,                                       (6. 14)

 

где w – средняя скорость теплоносителя, м/с;

А_п – площадь поперечного (живого) сечения канала, м/с;

   ρ – плотность теплоносителя, кг/м³.

Рабочая поверхность теплообменного аппарата определяется из уравне-ния теплопередачи (6. 5):

 

                                             F = Q/(k ∆ Т_cр).                                    (6. 15)

Если тепловой поток неизвестен, он определяется из уравнения (6. 1).

Средний коэффициент теплопередачи определяется обычно по формулам плоской стенки, так как трубки теплообменника имеют небольшую толщину:

                                      k = 1/(1/α ₁ + δ /λ + 1/α ₂),                              (6. 16)

 

причем коэффициенты теплоотдачи греющего газа к стенке α ₁ и от стенки к нагреваемой среде α ₂ учитывают суммарное действие и конвекции и излучения, если, конечно, газовые среды способны излу-чать и поглощать тепловую энергию.

Коэффициенты теплоотдачи α ₁ и α ₂ вычисляют по среднеарифмети-ческим температурам соответствующих потоков.

Недостающая конечная температура Т" ₁ греющего теплоносителя может быть найдена из уравнения теплового баланса (6. 1).

Так получают исходные данные для определения общей поверхности нагрева F. Затем выбирают диаметры d труб по ГОСТу, а также задают оптимальные скорости теплоносителей. Определив по формуле (6. 15) поверхность нагрева, скомпонованного из труб теплообменного аппарата, подсчитывают число труб n и их длину ℓ по формуле:

  

                                              F = π dℓ n.                                           (6. 17)

 

При проверочных расчетах теплообменников, когда известны их поверхность нагрева и ее конструктивные характеристики, а также расходы теплоносителей и их начальные параметры, определению подлежат конечные температуры теплоносителей.

Оптимальным теплообменником является аппарат, в котором процесс передачи теплоты удовлетворяет условию существования экстремума выбранного критерия оптимальности. В качестве критериев оптимизации могут быть выбраны технологические, конструктивные, термодинамические или технико-экономические показатели.

 

⇐ Предыдущая19202122232425262728Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: