13 ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ 13.1 Классификация теплообменных аппаратов Теплообменный аппарат - устройство, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. По принципу действия: рекуперативные регенеративные смесительные Рекуперативные - аппараты, в которых теплота от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку (парогенераторы, подогреватели, конденсаторы и т. п.) Регенеративные - аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячей жидкости теплота воспринимается стенками аппарата и в них аккумулируется, при протекании холодной жидкости эта аккумулированная теплота ею воспринимается (регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей и др.) В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей (башенные охладители (градирни), скрубберы и др.) 13.2 Рекуперативные аппараты Тепловой расчет теплообменного аппарата конструкторским, целью которого является определение площади теплообмена поверочным, при котором устанавливается режим работы аппарата и определяются конечные температуры теплоносителя уравнение теплопередачи Q kF (t1 t 2 ) (13.1) уравнение теплового баланса Q1 Q2 Q (13.2) – количество теплоты, отданное горячим теплоносителем; Q1 G1i1 G1c p1t1 G1c p1 ( t1 t1) – количество теплоты, теплоносителем; воспринятое холодным Q 2 G 2 i 2 G 2 c p 2 t 2 G 2 c p 2 ( t 2 t 2 ) ΔQ – потери теплоты в окружающую среду; G1,G2 – массовые расходы горячего и холодного теплоносителей; δi1, δi2 – изменение энтальпии теплоносителей; ср1, ср2 – удельные теплоемкости теплоносителей при постоянном давлении; t/1, t/2 – температуры горячего теплоносителя на входе и выходе из аппарата; t//1, t//2 – температуры холодного теплоносителя на входе и выходе его из аппарата. В тепловых расчетах важное значение имеет величина, называемая водяным эквивалентом W, Вт/°С W Gc p где G = ρwf – массовый расход теплоносителя; w – скорость теплоносителя; ρ – плотность теплоносителя; f – площадь сечения канала. t1 t1 t1 W2 t 2 t 2 t 2 W1 dt1 W2 dt 2 W1 где dt1 и dt2 – изменения температуры рабочих жидкостей на элементе поверхности. Схемы движения жидкостей в теплообменных аппаратах А) прямоточная - Если в теплообменном аппарате горячая и холодная жидкости протекают параллельно и в одном направлении Б) противоток - если жидкости протекают параллельно, но в прямо противоположном направлении В) перекрестный ток - если жидкости протекают в перекрестном направлении Схемы движения рабочих жидкостей в теплообменниках Характер изменения температур рабочих жидкостей при прямотоке (а) и противотоке (б). Средний температурный напор Количество теплоты, передаваемое в единицу времени от горячей жидкости к холодной через элемент поверхности dF определяется уравнением dQ k (t1 t 2 )dF dt1 dQ / G1c p1 dQ / W1 dt2 dQ / G2 c p 2 dQ / W2 Изменение температурного напора dt1 dt 2 d (t1 t 2 ) (1 / W1 1 / W2 )dQ mdQ где m 1 / W1 1 / W2 d (t1 t 2 ) mk (t1 t 2 )dF d (t ) / t mkdF t F d (t ) t mk dF t 0 t ln mkF t mkF t t e где Δt – местное значение температурного напора (t1-t2), относящееся к элементу поверхности теплообмена, Δt/ – на входе в аппарат. 1F t F mkF t mkF t tdF e dF e 1 F0 F 0 mkF Среднелогарифмический температурный напор при прямотоке t t1 t 2 t1 t 2 t1 t 2 ln t1 t 2 Среднелогарифмический температурный напор при противотоке t t1 t 2 t1 t 2 t1 t 2 ln t1 t 2 окончательная формула среднелогарифмического температурного напора для прямотока и противотока tб t м t tб ln t м Δtб - больший, Δtм - меньший температурные напоры между рабочими жидкостями. когда температура рабочих жидкостей вдоль поверхности нагрева изменяется незначительно, средний температурный напор можно вычислить как среднеарифметическое из крайних напоров 1 t t t 2 Для аппаратов со смешанным током задача осреднения температурного напора отличается сложностью математических выкладок. Результат решения обычно представляют в виде графиков. Сначала вычисляют средний температурный напор при противотоке, затем вспомогательные параметры, позволяющие по графикам определить поправку εΔt на температурный напор: t2 t2 P t1 t2 t1 t1 R t2 t2 t t t ï ðî ò Для перекрёстного тока предложена формула: t t p at1 bt2 где t p t1 t2 - располагаемый температурный напор, a 0,525 0,126 P R 0, 6 2 b 0,525 0,126 P 0,5 2 Коэффициент теплопередачи Для жидкости с большим водяным эквивалентном средняя температура берется как среднеарифметическое из крайних значений, например, tб=0,5(tб/+tб//). При этом для другой жидкости, с меньшим водяным эквивалентом, средняя температура определяется из соотношения tм = tб/ ±Δt. Среднеарифметический коэффициент теплопередачи k k k 2 Универсальная методика базируется на концепции экспоненциального изменения коэффициента k по поверхности площадью F, что очень близко к действительности. В случае наиболее сильного влияния на коэффициент теплопередачи изменения теплофизических свойств греющего теплоносителя 1 t1 W2 t2 t2 t t1 t1 ln k k F tcp ln k t1 t1 t2 t2 Ak k k nk t1 t1 ln Ak k enk t1 где k' – коэффициент теплопередачи на горячем конце теплообменника, причем горячим считается конец теплообменника с самой высокой температурой теплоносителя, изменение теплофизических свойств которого наиболее сильно влияет на коэффициент теплопередачи. Определяющие температуры принимаются равными температурам теплоносителей на горячем конце теплообменника; k" – то же, но на холодном конце теплообменника. Если резко меняются условия омывания поверхности нагрева рабочей жидкостью, k1 F1 k 2 F2 k 3 F3 k F1 F2 F3 где F1, F2, F3 – отдельные участки площади поверхности нагрева; k1, k2, k3 – средние значения коэффициента теплопередачи на этих участках. Расчет конечной температуры рабочих жидкостей t1 t1 Q /W1 (а) t 2 t 2 Q /W2 (б) t1 t1 t 2 t 2 Q kF 2 2 Q kF t1 Q / 2W1 t 2 Q / 2W2 1 Q Q Q 1 1 t1 t 2 Q kF 2W1 2W2 kF 2W1 2W2 t1 t 2 Q 1 1 1 kF 2W1 2W2 Зная количество переданной теплоты Q, по формулам (а) и (б) определить и конечные температуры рабочих жидкостей