ТЕПЛООБМЕННЫЕ АППАРАТЫ

среды к другой, называются теплообменниками. По принципу действия теплообменные аппараты

подразделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные. Существуют также теплообменники, в которых нагрев или охлаждение теплоносителя происходит за счет внутренних источников теплоты.
Устройства, в которых две среды с различными температурами движутся в пространстве, разделенном твердой стенкой, называются рекуперативными теплообменными аппаратами. В таких аппаратах процесс передачи теплоты происходит за счет конвекции и теплопроводности через разделяющую стенку. Если при этом хотя бы один из теплоносителей является излучающим газом, то передача теплоты происходит и излучением. Примерами таких теплообменников можно назвать котлы, подогреватели, конденсаторы и т.п.
К регенеративным аппаратам относятся такие аппараты, в которых одна и та же поверхность через определенные промежутки времени омывается попеременно то горячей, то холодной средой. Процесс теплообмена происходит в нестационарных условиях: поверхность теплообмена сначала отбирает теплоту от горячей среды и нагревается, а затем

и переключающиеся регенеративные теплоутилизаторы систем вентиляции.
Общим для рекуперативных и регенеративных

теплообменников является то, что передача теплоты в них осуществляется через поверхность твердого тела. Такие теплообменники называются поверхностными.
В смесительных теплообменниках процесс теплообмена осуществляется при непосредственном смешивании теплоносителей. Примером могут служить градирни, в которых падающие капли воды охлаждаются атмосферным воздухом. При этом воздух непосредственно соприкасается с водой и перемешивается с паром, возникающим из-за частичного испарения воды.
В теплообменниках с внутренним источником энергии применяется один теплоноситель, который отводит теплоту, выделившуюся в аппарате. Примером могут служить электронагреватели.

и поверочные.
Проектные выполняют при разработке новых теплообменных аппаратов с

целью определения размера поверхности теплообмена.
Поверочные выполняют при известной поверхности теплообмена с целью определения параметров теплоносителей и количества передаваемой теплоты.
Методики расчета сводятся к решению уравнений теплового баланса и теплообмена, основанных на законах сохранения массы и энергии

Расчет рекуперативных теплообменников

Рассмотрим расчет рекуперативных теплообменников для стационарного процесса.
Изменение энтальпии теплоносителя при теплообмене определяется следующим уравнением:

расход, кг/с;

удельная энтальпия, Дж/кг.

теплоносителя используем индекс «1», для холодного – «2»; для параметров

на входе в теплообменник – «’», на выходе – «”».

Тогда уравнение теплового баланса примет вид:

Или после интегрирования:

подставляются
до
Иногда в расчетах используют полную теплоемкость, называемую водяным

эквивалентом:

среднее значение в диапазоне температур от

их водяных эквивалентов. При изменении агрегатного состояния вещества
Следовательно, для

такого теплоносителя водяной эквивалент

.

будет равняться нулю.

(1)

элементарного участка
:

Рассмотрим уравнение теплопередачи:
коэффициент теплопередачи;
температуры теплоносителей;

поверхность теплообмена

Уравнение (2) справедливо при постоянстве температур

(2)

напор
и коэффициент теплопередачи. Тогда:
Интегрируя, получим полный тепловой поток через

поверхность теплообмена:

Изменение

часто незначительно, и этим изменением пренебрегают. Если зависимость существенна, то площадь поверхности теплообмена разбивают на несколько участков со своими коэффициентами и затем усредняют:

по поверхности теплообмена на практике

расчете теплообменников. При проектном расчете задается их
Требуется определить поверхность теплообмена

средний температурный напор.

теплопроизводительность

, Вт.

, м2

В общем случае коэффициент теплоотдачи равен:

коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением.

стенки, состоящей из
При рассмотрении теплообменников с непрерывно меняющейся температурой

теплоносителей различают теплообменники следующих типов (рис):
– прямого тока;
– противоточные;
– перекрестного тока;
– со сложным движением теплоносителей (смешанного типа).
Если движение теплоносителей параллельно в одном направлении (рис.а), то такая схема называется прямотоком. Если движение теплоносителей параллельно в противоположном направлении (рис.б), противотоком. Если движение теплоносителей перпендикулярно друг другу (рис.в), перекрестным током. При наличии различных направлений движения потоков – схема называется смешанной (рис.г).

слоев.

в – перекрестного тока; г – смешанных

водяных эквивалентов теплоносителей.
Рассмотрим прямоточный теплообменник. Для элемента поверхности запишем:

Изменение

температурного напора будет иметь вид:

закону.
и уравнение теплового баланса имеет вид:
Изменение температурного напора будет иметь

вид:

.

температурный напор на входе в теплообменник

В противоточных теплообменниках температура вдоль

убывает,

(3)

увеличивается при
Среднюю разность температур находим по формуле:
локальное значение температурного

напора

Интегрируя, получим:

После преобразований получим:

температурный напор:
большая и меньшая разность температур.
напор сохраняется вдоль поверхности. При

незначительном изменении температуры вдоль поверхности вместо среднеинтегральной используют среднеарифметическую:

При противотоке, если

, то температурный

величины:

и температурный напор вычисляется по формуле:
При поверочном расчете при заданных

значениях

требуется определить

(тепловую производительность).

и распределение температуры имеет линейный характер. Тогда:

В основе расчета остаются те же уравнения, что и при проектном расчете. Допустим, что температура вдоль поверхности теплообмена изменяется незначительно,

(4)

получим:
Определим тепловую производительность:
(5)

быть использована для приближенных расчетов, т.к. распределение температур теплоносителей имеет

нелинейный характер. При прямоточном движении теплоносителей используем уравнение (3). Тогда:

Вычтем из левой и правой частей уравнения единицу:

теплового баланса:
Тогда:
Получаем уравнение для нахождения
:

уравнения принимается:
Вывод уравнений аналогичен случаю прямотока. Окончательно имеем:

прочих условий. Прямоточная
либо очень мало, либо очень велико, а

также очень мало

Если

очень велико, значит изменение температуры одного из теплоносителей также незначительно. Если

очень мало, тогда температурный напор велик по сравнению с изменением температуры рабочей жидкости. Во всех остальных случаях при прямотоке количество переданной теплоты меньше, чем при противотоке.

Для оценки преимущества противотока перед прямотоком

значения

и противоточная схемы в энергетическом отношении могут быть одинаковы при условии, что

должно быть выражение

сравним

температуры поверхности рассчитывают по формуле для плоских многослойных стенок:

Время полного цикла теплообмена:
где
и
периоды соответственно нагрева и

охлаждения.

коэффициент теплопередачи за период нагрева и охлаждения;

средняя температура первичного теплоносителя за период нагревания;

средняя температура вторичного теплоносителя за период охлаждения.

Т.к. процессы в регенеративных теплообменниках нестационарные, то для инженерных расчетов применяются приближенные методы. Тепловой поток относится к циклу. Уравнение теплопередачи имеет вид:

коэффициент теплоотдачи за период нагревания;
и
средние температуры первичного

теплоносителя и поверхности за период нагревания.

где

суммарный коэффициент теплоотдачи за период охлаждения;

и

средние температуры вторичного теплоносителя и поверхности за период охлаждения.

Аналогично количество теплоты, отданное вторичному теплоносителю за период охлаждения:

температур
Тогда получим уравнение, аналогичное уравнению коэффициента теплоотдачи для рекуператора:
Таким

образом, в рассматриваемом случае формулы расчета средних за период температур и теплопередачи в рекуператорах справедливы и для регенераторов. Если принять

при любой продолжительности периодов нагрева и охлаждения, то

.

поверхности в период нагрева и охлаждения остается одинаковой.
Таким образом, при

известных

и

расчет регенератора сводится к определению средних температур поверхности в период нагревания

и в период охлаждения