Расчет теплообменных аппаратов. Рекуперативные теплообменники. Регенеративные теплообменники

Тепломассообмен 3

Расчет теплообменных аппаратов

Типы теплообменников

Теплообменный аппарат – это устройство, в котором теплота передается от горячего теплоносителя к холодному. Передача теплоты в них происходит конвекцией, теплопроводностью; а если хоть один из теплоносителей газ, то и излучением. По принципу действия теплообменники бывают: рекуперативные, регенеративные, смесительные и с внутренними источниками теплоты.

Рекуперативные теплообменники

Рекуперативные теплообменники представляют собой устройства, в которых горячий и холодный теплоносители разделены стенкой. Примерами таких теплообменников являются подогреватели, парогенераторы, конденсаторы. Рекуператоры работают как правило в стационарном тепловом режиме.

Рекуператоры

На следующем слайде приведена фотография рекуперативного воздухоподогревателя котла (вид снизу). На снимке видны отверстия вертикальных труб, в которых проходит горячий теплоноситель (дымовые газы). Холодный теплоноситель – нагреваемый воздух проходит в межтрубном пространстве в поперечном направлении.

Рекуперативный воздухоподогреватель парогенератора

Регенеративные теплообменники

Регенеративные теплообменники – это устройства, в которых горячий и холодный теплоноситель поочередно омывают одну и ту же поверхность (массивную насадку – аккумулятор теплоты). Сначала насадка нагревается от горячего теплоносителя, затем отдает аккумулированную теплоту холодному теплоносителю, то есть регенераторы работают в нестационарном тепловом режиме.

Пример регенеративного теплообменника

Примером регенератора являются воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей. Так как в рекуператорах и регенераторах теплопередача связана с твердой поверхностью, их называют еще поверхностными. Ниже приведена фотография общего вида регенеративного воздухоподогревателя (РВП).

Регенеративный воздухоподогреватель

Конструкция РВП

Конструкция РВП

РВП состоят из неподвижного статора и медленно вращающегося ротора. Насадка помещена во вращающийся ротор (см. выше рисунок РВП без верхней крышки). Насадка вначале нагревается от горячего теплоносителя (газа), затем отдает аккумулированную теплоту холодному теплоносителю (воздуху). Ниже показан пример насадки (набивки) из гофрированных металлических листов.

Насадка РВП из гофрированных листов

Другие виды насадок

В других РВП насадка может состоять из металлических шариков диаметром 5-10 мм, металлических сеток и других материалов (фарфора, полимеров), хорошо аккумулирующих теплоту.

РВП «Юнгстрем»

Смесительные теплообменники

В смесительных теплообменниках теплопередача происходит при непосредственном контакте (смешении) горячего и холодного теплоносителей. Типичным примером смесительного теплообменника является градирня тепловой электростанции, в которой техническая вода, нагретая в конденсаторах, охлаждается за счет воздушно-испарительного эффекта при контакте с воздухом.

Деаэрационная колонка – пример смесительного теплообменника

Так как при этом происходит частичное испарение воды, то наряду с теплообменом происходит и массообмен. Другим примером смесительного теплообменника является деаэрационная колонка котлоагрегата. На следующих двух слайдах показаны схемы струйной и струйно-барботажной деаэрационных колонок.

Деаэрационная колонка струйного типа

Деаэрационная колонка струйно-барботажного типа

Теплообменники с внутренними источниками теплоты

Особенностью теплообменника с внутренними источниками теплоты является наличие только одного холодного теплоносителя, который нагревается за счет тепловыделений внутренних источников. Примерами таких теплообменников являются электронагреватели и тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) ядерных реакторов.

Проектный расчет теплообменников

Несмотря на различие конструкций и принципов действия этих теплообменных аппаратов, все они рассчитываются по двум основным уравнениям: теплового баланса и теплопередачи. Расчет теплообменного аппарата может быть проектным и поверочным. Проектный (конструктивный) расчет выполняется при проектировании нового аппарата и целью его является определение необходимой поверхности теплообмена.

Уравнение теплового баланса

Целью поверочного расчета является определение переданной теплоты и конечных температур теплоносителей. Тепловой расчет любого теплообменника сводится к совмест- ному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи. Уравнение теплового баланса, Вт: , где m1, m2 – расходы теплоносителей, кг/с; с1, с2 – их средние, массовые теплоемкости, Дж/(кгК); КПД теплообменника; индексы 1,2,(‘,“) – горячий и холодный теплоносители; (вход, выход).

Уравнение теплопередачи

Уравнение теплопередачи, Вт: , где – средняя разность температур между теплоносителями, К; F – поверхность теплопередачи, м2; коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); коэффициенты конвективной теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителей, Вт/(м2К); λ – теплопроводность стенки теплообменника, Вт/(мК); толщина стенки теплообменника, м.

Прямоток

Прямоток – это когда оба теплоносителя движутся параллельно, в одном направлении.

Противоток

Противоток – это когда оба теплоносителя движутся параллельно, в противоположных направлениях.

Сложный ток

Сложный ток - это когда теплоносители движутся то в прямотоке, то в противотоке.

Перекрестный ток

Изменение температур теплоносителей при прямотоке

Изменение температур теплоносителей при противотоке

Характер изменения температур теплоносителей

Рассмотрим общий случай, когда температуры обоих теплоносителей изменяются монотонно. В частных случаях температура одного из теплоносителей может оставаться постоянной. Например, при кипении воды или конденсации пара, то есть при изменении агрегатного состояния теплоносителя.

Средняя разность температур между теплоносителями

Тогда для прямотока и противотока средняя разность температур между теплоносителями может быть, К: среднеарифметической при (1) и среднелогарифмической при (2)

Средняя разность температур между теплоносителями при других токах

Для сложного и перекрестного тока средняя разность температур между теплоносителями находится как, К: (3) Здесь поправка на изменение температур теплоносителей: Эта поправка находится по графикам для каждого типа тока теплоносителей (вид такого графика приведен на следующем слайде).

Поправка на токи теплоносителей

Преимущества противоточных теплообменных аппаратов

При конструктивном расчете: из-за более высокой средней разности температур, необходимая поверхность теплопередачи для противотока получается меньше. То есть противоточные теплообменники компактнее и требуют меньшего расхода материалов на их изготовление. При поверочном расчете: переданная теплота для противотока выше, то есть противоточные теплообменники эффективнее.

Гидродинамический расчет теплообменных аппаратов

Кроме теплового расчета теплообменников выполняется их гидродинамический расчет. В результате такого расчета определяются гидравлические сопротивления движению теплоносителей и мощности насоса или вентилятора, необходимые для прокачки жидкости или газа через