Аппаратов

Тепловой расчет рекуперативных теплообменных

Типы теплообменных аппаратов

В энергетических установках, например атомных электростанциях, паровых котлах, конденсаторах и др., применяются различные типы теплообменных аппаратов, в которых происходит обмен теплом между теплоносителями.

Существуют теплообменные аппараты, в которых текут две жидкости, а теплообмен осуществляется посредством теплопроводности через разделяющую стенку от жидкости с более высокой температурой к жидкости с меньшей температурой. Скорость протекания жидкостей выбирается такой, чтобы обеспечивать максимальный коэффициент полезного действия (КПД) теплопередачи. Данные аппараты работают в стационарном режиме, такие теплообменные аппараты называют рекуперативными.

При нестационарном режиме вначале происходит нагрев поверхности твердого тела горячей жидкостью, после чего нагретая поверхность передает тепло, например холодному воздуху. Это так называемые регенеративные теплообменные аппараты.

Существуют тепловые аппараты, в которых непосредственно смешиваются горячая и холодная жидкости. Например, в градирнях горячая вода соприкасается с воздухом, который перемешивается с образующимся паром, это смесительные аппараты.

В технике также применяются теплообменные установки с внутренними источниками тепла, в которых образующееся тепло в результате процесса отводится жидкостью.

Целью теплового расчета теплообменных аппаратов является определение поверхности теплообмена, а также количества переданного тепла и температур рабочих жидкостей.

Основные расчетные уравнения – это уравнение теплового баланса (5.1) и уравнение теплопередачи (5.2):

, (5.1)

где ∆ Q – потери теплоты; G ₁, G ₂ – массовый расход горячего и холодного теплоносителей; с _{mр 1}, с _{mр 2} – удельные теплоемкости при постоянном давлении; , – температуры горячего теплоносителя на входе и выходе из теплообменного аппарата; , – температуры холодного теплоносителя на входе и выходе из теплообменного аппарата.

, (5.2)

где ∆ Т – среднее значение перепада температуры на поверхности нагрева; K – коэффициент теплопередачи, который находится из уравнения (3.30); S – поверхность теплообмена.

Взаимные схемы движения могут быть различными. Если горячий и холодный теплоносители протекают в одном направлении, то это прямоточная схема движения, если в противоположных направлениях – то это противоток. Бывают и поперечные схемы движения.

Изменение температур горячего и холодного теплоносителей вдоль поверхности теплообмена в аппарате, работающем по схеме прямотока, приведено на рис. 5.1.

Изменение температурного напора вдоль теплообменной поверхности изменяется по экспоненциальному закону:

, (5.3)

где ; с ₁, с ₂ – теплоемкости массовых расходов холодного и горячего теплоносителей.

На рис. 5.1 представлено изменение температур горячего и холодного теплоносителей вдоль теплообменной поверхности при противотоке жидкостей в теплообменном аппарате. Интересно то, что в направлении движения более горячей жидкости при с ₁ < с ₂ перепад температур уменьшается, а при с ₁ > с ₂ – увеличивается.

Сравним количество теплоты, отдаваемой при прямотоке и противотоке. Подсчитаем их отношение при изменении теплоемкостей в пределах 0,02 < < 20, а при значениях 0,5; 1,0; 2,0; 20.

Получим зависимости, из которых следует, что обе схемы равноценны только при малых и больших значениях . Кроме того, обе схемы равноценны между собой при малых значениях и значительно различаются при больших. Следовательно, прямоточная схема в большинстве случаев менее эффективна по сравнению с противоточной схемой.

Получим выражения для температур поверхностей стенки, имеющей толщину d для случая, если известен вектор плотности теплового потока на поверхности теплообмена. Плотность теплового потока для плоской стенки

; ; (5.4)

, а также . (5.5)

Из выражений (5.4) и (5.5) получим выражения для расчета температур обеих поверхностей стенки

; (5.6)

. (5.7)

Дата добавления: 2015-05-26