11. Теплообменные аппараты

11. ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ


11.1. Типы теплообменных аппаратов по принципу действия
Теплообменником называется устройство, служащее для передачи тепла от одного теплоносителя к другому.
В качестве теплоносителей применяются капельные жидкости (вода, трансформаторное масло и др.), газы (дымовые газы, воздух, водяной пар и др.), жидкие металлы (в атомной энергетике – это литий, натрий, калий и др.)
По принципу действия теплообменники подразделяются на:
1) рекуперативные, в которых перенос тепла от одного теплоносителя к другому происходит через разделяющую их твердую стенку. В них теплота передается теплопередачей. Больше 80% всех существующих теплообменников являются рекуперативными;
2) регенеративные, в которых одна и та же поверхность периодически омывается то горячим, то холодным теплоносителями. В них теплота передается при нестационарном режиме. В качестве примера можно привести воздухоподогреватель вращающегося типа;
3) смесительные, в которых теплота от одного теплоносителя к другому передается при их непосредственном контакте и перемешивании. В теплоэнергетике к таким теплообменникам относятся деаэратор и градирня.
В перечисленных теплообменниках используется два теплоносителя. Вместе с тем встречаются теплообменники с одним теплоносителем. Например, атомный реактор, в котором твэлы – источники теплоты омываются каким-либо теплоносителем, в установках с электрообогревом и т.д. Их еще называют теплообменниками с внутренними источниками тепла.


11.2. Основные положения теплового расчета теплообменных
аппаратов
Различают два вида тепловых расчетов: конструкторский или проектный и поверочный.
В конструкторском тепловом расчете искомой величиной является поверхность теплообменника F, зная которую в дальнейшем осуществляют его аппаратурное оформление.
При поверочным расчете поверхность теплообменника является известной, заданной величиной, а требуется определить передаваемый тепловой поток и температуры теплоносителей на выходе из него.
В дальнейшем наряду с термином «теплоноситель» будет использоваться и привычный термин «жидкость».
В основе любого теплового расчета лежат два уравнения: уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи. Вид уравнений конкретизируется в зависимости от типа теплообменника. Наиболее распространенными являются рекуперативные теплообменники, поэтому рассмотрим эти уравнения применительно к ним.


11.2.1. Уравнение теплового баланса для рекуперативного
теплообменника
Пусть в таком теплообменнике расход горячего теплоносителя равен , а расход холодного . Примем также, что в пределах элемента поверхности изменение энтальпии горячей жидкости ( ), а холодной . Тогда, считая, что процессы теплообмена протекают при , можно найти, что тепловой поток, отданный горячим теплоносителем, будет равен , а полученный холодным . При отсутствии тепловых потерь, а КПД теплообменников порядка 98%, , отсюда . Это и есть уравнение теплового баланса, записанное в дифференциальной форме. При конечном изменении энтальпии, т.е. для всего теплообменника в случае установившегося движения теплоносителей
или .
Здесь и в дальнейшем один штрих относится к параметрам жидкости на входе в теплообменник, а два штриха – на выходе из него.
Известно, что , тогда, если теплоемкости теплоносителей считать постоянными, уравнение теплового баланса можно записать
. (11.1)
Иногда удобно ввести величину , называемую водяным эквивалентом или расходной теплоемкостью. В этом случае уравнение теплового баланса примет вид: . (11.2)
Обозначив и , характеризующие изменение температуры горячей и холодной жидкости соответственно, можно получить еще одну форму записи уравнения теплового баланса:
, (11.3)
откуда видно, что изменение температур теплоносителей обратно пропорционально их водяным эквивалентам.


11.2.2. Уравнение теплопередачи для рекуперативного теплообменника
При рассмотрении теплопередачи через плоскую стенку было получено следующее уравнение: . Это по существу и есть уравнение теплопередачи, но справедливое для частного случая, а именно, когда температуры теплоносителей , т.е. не изменяются вдоль поверхности теплообмена. Однако в общем случае температура горячей жидкости уменьшается, а температура холодной жидкости увеличивается, поэтому , т.е. разность температур непрерывно изменяется вдоль поверхности. Для учета этого рассмотрим элементарный участок поверхности теплообменника . Обозначим температуру горячей жидкости в пределах этого участка , а температуру холодной жидкости в пределах этого же элемента . Их называют местными температурами, а разность называется местным температурным напором. Ввиду малости элемента изменением температур в его пределах можно пренебречь, тогда уравнение теплопередачи можно записать:
или ,
следовательно, в дифференциальной форме оно справедливо всегда. Отсюда
. Расчеты и эксперимент показывают, что коэффициент теплопередачи является слабо изменяющейся величиной, поэтому будем считать . Это позволяет вынести за знак интеграла. Получаем
или, применяя теорему о среднем, , (11.4)
где среднеинтегральный температурный напор. Следовательно, в общем случае в уравнение теплопередачи нужно подставлять среднеинтегральный температурный напор.
Рассмотрим величины, входящие в уравнение теплопередачи.
1. поверхность теплообменника, которая при конструкторском расчете является искомой величиной, а при поверочном – заданной, известной.
2. тепловой поток. При конструкторском расчете он определяется из уравнения теплового баланса, а при поверочном – искомая величина.
3. коэффициент теплопередачи, расчетная величина, зависящая от формы и размеров поверхности, от ее физических свойств и от условий теплообмена на ее поверхностях. Например, для однослойной плоской стенки он равен: .
В случае цилиндрической стенки уравнение теплопередачи удобнее записать в цилиндрических координатах:
, (11.5)
где линейный коэффициент теплопередачи для однослойной цилиндрической стенки .
4. среднеинтегральный температурный напор. Он зависит от:
а) размера поверхности ;
б) водяных эквивалентов и ;
в) температур теплоносителей на входе и на выходе из теплообменника;
г) схемы движения теплоносителей. В зависимости от схемы движения теплоносителей различают:
1) прямоточную схему или прямоток, когда теплоносители движутся параллельно друг другу и в одну сторону. Схематически это показывают так:
2) противоточную схему или противоток, когда теплоносители движутся параллельно в противоположные стороны, что показывают так :
3) перекрестного тока, когда теплоносители движутся по взаимно перпендикулярным направлениям:

4) смешанного или комбинированного тока – это все остальные схемы движения теплоносителей.