ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

Теплообменным аппаратом называют устройство, предназначенное для нагревания или охлаждения теплоносителя. Кроме того, существуют теплообменники с внутренними тепловыделениями. Это разного типа электронагреватели и реакторы.

Теплообменники с двумя теплоносителями в зависимости от способа передачи теплоты

от одного теплоносителя к другому делят на несколько типов: рекуперативные, регенеративные, смесительные, с промежуточным теплоносителем.

В рекуперативных теплообменниках теплота передается от одного теплоносителя к другому через разделительную стенку любой конфигурации. Такие теплообменники выполняются из материалов с хорошей теплопроводностью. Наиболее распространены трубчатые теплообменники, в которых один теплоноситель движется в трубках, а другой –в межтрубном пространстве. В таких теплообменниках смешения теплоносителей не происходит и они широко применяются для самых разнообразных сочетаний греющего и нагреваемого веществ. Регенеративные теплообменники и теплообменники с промежуточным теплоносителемработают практически по одному и тому же принципу, заключающемуся в том, что теплота от одного теплоносителя к другому переносится с помощью какого-то третьего – вспомогательного вещества. Это вещество (промежуточный теплоноситель) нагревается в потоке горячего теплоносителя, а затем отдает аккумулированное тепло холодному теплоносителю. Для этого необходимо либо переносить сам промежуточный теплоноситель из одного потока в другой, либо периодически переключать потоки теплоносителей в теплообменнике периодического действия. Такие теплообменники нашли применение для высокотемпературного подогрева газов (>1000⁰С). Иногда их выгодно использовать для охлаждения запыленных газов. В теплообменниках с промежуточным теплоносителем тепло от греющей среды к нагреваемой переносится потоком мелкодисперсного материала или жидкости. Такой теплообменник фактически состоит из двух.

Например, в установках разделения воздуха на азот и кислород используются теплообменники, состоящие из двух водяных скрубберов, в одном из которых вода охлаждается отбросным азотом, а во втором, нагреваясь, охлаждает воздух, поступающий в установку.

Иногда промежуточный теплоноситель передают на большие расстояния.

Так как в рекуперативных и регенеративных аппаратах процесс передачи теплоты неизбежно связан с поверхностью твердого тела, то их еще называют поверхностными.

Одним из интересных устройств, использующих в качестве промежуточного теплоносителя пар и его конденсат, является герметичная труба, заполненная частично жидкостью, а частично паром. Такое устройство, называемое тепловой трубой, способно передавать большие тепловые мощности. На горячем конце тепловой трубы за счет под- вода теплоты испаряется жидкость, а на холодном – конденсируется пар, отдавая выделившуюся теплоту. Конденсат возвращается в зону испарения либо самотеком, если холодный конец можно разместить выше горячего, либо за счет использования специальных фитилей, по которым жидкость движется под действием капиллярных сил в любом направлении, даже против сил тяжести (как спирт в спиртовке).

Тепловые трубы с самотечным возвратом конденсата известны давно.

Широкое распространение тепловых труб с фитилями началось недавно в связи с необходимостью отвода больших тепловых потоков от мощных, но малогабаритных полупроводниковых устройств. Практически незаменимы тепловые трубы с фитилями в космосе. Для охлаждения механических, электрических, радиотехнических устройств в земных условиях используется естественная конвекция. В космосе естественной конвекции быть не может, поскольку отсутствует сила тяжести, и нужны иные способы отвода теплоты. Тепловые трубы с фитилями могут работать и в невесомости. Они малогабаритны, не требуют затрат энергии на перекачку теплоносителя и при соответствующем подборе рабочего агента работают в широком интервале температур.

Широкие возможности открываются при использовании в качестве промежуточного теплоносителя мелкодисперсного материала, Который может работать в самых различных

установках (при высоких и низких температурах, в агрессивных средах и т.д.). Такой материал легко транспортируется потоком газа, в зависимости от условий может находиться во взвешенном, плотном или псевдоожиженном состоянии.

Наиболее простыми являются смесительные теплообменники, в которых смешиваются теплоносители, не требующие дальнейшего разделения. Для увеличения теплопередачи жидкости разбрызгивают или разбивают на мелкие струи. К таким теплообменникам относятся градирни, в которых горячая вода разбрызгивается и, соприкасаясь с холодным воздухом, охлаждается и вновь используется для охлаждения пара. Использование того или другого типа теплообменника в каждом конкретном случае должно быть обосновано технико-экономическими расчетами, поскольку каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.

По схемам движения жидкости различают: прямоточные теплообменники, когда горячая и холодная жидкости движутся в одном направлении; противоточные, когда горячая и холодная жидкости движутся в разных направлениях; иногда горячая и холодная жидкости движутся перпендикулярно друг другу – поперечный ток. Кроме этих основных типов движения жидкостей в теплообменных аппаратах применяют более сложные схемы движения, включающие эти три основные схемы. (Рис2.10)Теплообменные аппараты имеют самые разнообразные назначения - паровые котлы, холодильные установки, конденсаторы, воздухоохладители и т.д. Теплообменные аппараты отличаются по формам, конструкции, по применению в них различных рабочих тел, но основные положения теплового расчета для них остаются общими

Рис.2.10 Типы движения жидкостей в теплообменных аппаратах

При проектировании новых теплообменных аппаратов целью теплового расчета является определение площади поверхности теплообменника, а если последняя известна, то целью расчета является определение конечных температур рабочих жидкостей.

Основными расчетными уравнениями теплообмена при стационарном режиме являются уравнение теплопередачи и уравнение теплового баланса.

Уравнение теплопередачи

Q = k F ∆t 2.96

где Q – тепловой поток, Вт; F- площадь поверхности теплообменного аппарата, м²; ∆t – температурный напор, ⁰С; k- средний коэффициент теплопередачи, Вт / (м²К).

Уравнение теплового баланса при условии отсутствия тепловых потерь и фазовых переходов

Q = m₁∆i₁ = m₂∆i₂ 2.97

Или Q = m₁c₁( t₁^| - t₁^|| ) = m₂c₂ ( t₂^| - t₂^|| ) 2.98

Где - m₁ и m₂ – массовые расходы теплоносителей, кг/с; с₁ и с₂ - удельные теплоемкости жидкостей в интервале температур на входе и выходе по горячему и холодному теплоносителям, энтальпии по горячему и холодному теплоносителям, кДж/кг.

Произведение m c_p = W называют водяным или условным эквивалентом.В тепловых аппаратах температуры горячего и холодного теплоносителей изменяются обратно пропорционально их условным эквивалентам. Соотношения между величинами условных эквивалентов горячего и холодного эквивалентов определяет наклон температурных кривых на графике изменения температур.

Если температура теплоносителей изменяется по прямой линии то средний температурный напор в аппарате равен разность среднеарифметических величин

2.99

Приведенное уравнение справедливо при небольших изменениях температур теплоносителей. При больших изменениях температур теплоносителей определяется среднелогарифмический температурный напор

∆t_ср = (∆t_б - ∆t_м ) /ℓn ∆t_б / ∆t_м 2.100

Где ∆t_б и ∆t_м разность температур на одном конце аппарата и на другом конце аппарата

Температурный напор для прямотока

2.101