Рабочая программа дисциплины "Теплотехника" (Общие методические указания к изучению дисциплины. Контрольные тесты для проверки знаний студентов), страница 12

2.4 Теплообменные аппараты

Типы теплообменных аппаратов. Теплообменный аппарат (теплообменник) - устройство, предназначенное для передачи теплоты от горячего теплоносителя к холодному. Теплообменные аппараты по принципу действия подразделяются на: рекуперативные, регенеративные и смесительные. Рекуперативные - в которых теплота передается от горячего теплоносителя к холодному через разделяющую их твердую стенку (паровые котлы, водоподогреватели, конденсаторы и т.д.). Регенеративные - в которых поверхность нагрева периодически омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При этом теплота, отнимаемая от греющего теплоносителя, периодически передается нагреваемой среде (регенераторы мартеновских и доменных печей, котельных агрегатов). Режим работы нестационарный. Эти два типа теплообменников по способу передачи теплоты к поверхностным теплообменникам. Смесительные (контактные) - в которых теплота передается при непосредственном смешивании охлаждаемой и нагреваемой сред (башенные охладители (градирни), дегазаторы и т.д.). По относительному движению потоков теплоносителей (рис. 41) теплообменники делят на: прямоточные; противоточные; перекрестные и со смешанным потоком.

Рисунок 41. Схемы движения теплоносителей: а - прямоточная; б - противоточная; в - перекресного тока; г - смешанного тока.

Существуют и другие признаки классификации: по технологическому назначению, по роду теплоносителя, по роду материалов, по роду теплопередающих поверхностей, по числу ходов теплоносителя, по компоновке поверхностей нагрева, по технологии сборки, по периодичности действия.

Расчет теплообменных аппаратов. Несмотря на такое большое разнообразие теплообменных аппаратов, все они имеют одно назначение и поэтому основы их теплового расчета общие. В зависимости от конечной цели расчета различают конструктивный и поверочный расчеты.

Конструктивный расчет теплообменника состоит в определении площади теплопередающей поверхности F, от которой зависят основные габариты проектируемого аппарата, при известных массовых расходах теплоносителей (G₁ и G₂), их начальных (t^'_ж1 и t^'_ж2) и конечных (t^"_ж1 и t^'_ж2) температурах, а также тепловом потоке Q через поверхность F.

Поверочный расчет выполняется для спроектированного теплообменника с известной поверхностью теплообмена F. Цель его состоит в расчете температур теплоносителей на выходе из аппарата (t^"_ж1 и t^"_ж2) и определении количества переносимой в единицу времени через поверхность F теплоты Q. Применяют метод последовательных приближений, задаваясь конечным значением температуры одного из теплоносителей, определяют температуру второго и проводят конструктивный расчет. Если F по расчету не совпадает с уже известной, расчет проводят вновь.

Сущностью обоих расчетов является совместное решение уравнений теплового баланса и теплопередачи.

Уравнение теплового баланса. Тепловой поток Q₁, полученный в теплообменнике при охлаждении горячего теплоносителя от t^'₁ до t^"₁, равен:

где М₁ - массовый расход, кг/с.

Несколько процентов (1-10%) Q₁ теряется в окружающую среду через стенки, а основная часть (где η КПД теплообменника) передается второму теплоносителю, и по аналогии:

само уравнение:

Оно позволяет найти один неизвестный параметр. Все остальные должны быть известны.

Уравнение теплопередачи:

где - среднее значение температурного напора (рис.1), т.к. в теплооб-менниках t₁ и t₂ изменяются (рис. 42). Если , то можно пользоваться среднеарифметическим значением:

а погрешность не будет превышать 4%.

В остальных случаях используют понятие среднелогарифмический температурный напор:

где и - это перепады температур между теплоносителями на концах теплообменника.

На практике чаще используются противоточные схемы движения, поскольку

Рисунок 41. Характер изменения температурного перепада: а - прямоток; б - противоток.

при одинаковых температурах входящих и выходящих теплоносителей при противотоке всегда больше, чем при прямотоке, отсюда это означает, что при одном и том же Q при противоточной схеме требуется теп-лообменник меньшей F, при этом холодный теплоноситель в нем можно нагреть до температуры более высокой, чем температура греющего теплоносителя на выходе t^"_ж2 > t^"_ж1.