Тепловой расчет рекуперативных теплообменных аппаратов

Классификация тепломассообменных аппаратов

Тепломассообменные аппараты

Основные термины

Массообмен, диффузия.

Молекулярная и конвективная диффузия. Конвективный массообмен. Концентрационная диффузия, термодиффузия, бародиффузия. Поток массы и плотность потока массы. Массоотдача.

Тепломассообменные аппараты - это устройства, в которых осуществляются процессы У тепло- и массообмена между двумя или несколькими средами. Последние принято называть теплоносителями. Если аппарат предназначен только для передачи теплоты от одной среды "к другой, то часто его называют теплообменником.

А Тепломассообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных и часто

используемых в технике процессов. Практически во всех машинах и аппаратах любые

'преобразования энергии из одного вида в другой, а также передача энергии и вещества от

-дцного теплоносителя к другому осуществляются при помощи тепломассообмена. Например,

получение пара заданных параметров в современном парогенераторе основано на процессе

^передачи теплоты от одного теплоносителя (горячих продуктов сгорания) к другому (воде).

„(Тепломассообмен имеет место в конденсаторах и градирнях тепловых электростанций,

воздухоподогревателях доменных печей и теплоиспользующих установках химической

Тфомышленности и во многих других устройствах.

Рабочие процессы, происходящие в тепломассообменных аппаратах, могут быть

самыми разнообразными: нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, плавление,

Затвердевание и более сложные процессы, являющиеся комбинацией перечисленных.

-тЗ процессе теплообмена может участвовать несколько теплоносителей: теплота от одного из

них может передаваться нескольким и от нескольких - одному. Поэтому

"тепломассообменные аппараты можно классифицировать по назначению - подогреватели,

-конденсаторы, охладители, испарители, паропреобразователи и т. п. Однако эта

классификация является не очень удобной, поскольку каждый тепломассообменный аппарат

'федназначен для какого-то конкретного рабочего процесса, а таких процессов в технике

-довольно много.

-96

Более удобно классифицировать тепломассообменные аппараты по принципу действия: на рекуперативные, регенеративные, смесительные и теплообменные устройства с внутренними источниками теплоты.

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения. Примером таких аппаратов являются котлы, подогреватели, конденсаторы, выпарные аппараты и др.

При теплообмене в аппаратах такого типа
тепловой поток в каждой точке поверхности //

разделительной стенки сохраняет постоянное а ]т[^

направление. Процесс теплообмена протекает ^* у!^ р^".~'.~'11-~~'~'.З.Ж ^_____ /

непрерывно и имеет обычно стационарный ' ^й~ ~'— I— \ ------------ -| У '

характер. На рис. 2.56 показан пример Щ^

рекуперативного теплообменника, в котором один

из теплоносителей протекает внутри труб,

находящихся внутри кожуха, а второй омывает Р^ис- 2-56. Простейший рекуперативный

наружные поверхности этих труб. Поэтому такие теплообменник кожухотрубного типа:

аппараты называют кожухотрубными. Стенка, /-горячийтеплоноситель;//-холодный

которая омывается с обеих сторон теплоноситель

теплоносителями, называется рабочей

поверхностью теплообменника.

В настоящее время в системах теплоснабжения вместо кожухотрубных подогревателей все чаще устанавливаются пластинчатые теплообменники, которые также относятся к рекуперативным аппаратам (рис. 2.57). Это связано с целым рядом преимуществ пластинчатых теплообменников:

• коэффициент теплопередачи в 3 - 4 раза больше, чем кожухотрубных, благодаря специальному гофрированному профилю пластин;

• рабочая поверхность в 3 - 4 раза меньше, поэтому они более компактны и обладают меньшей металлоемкостью;

• легко разбираются, быстро чистятся, можно быстро заменить прокладку или пластину и увеличить поверхность теплообмена.

оэ^

б(^кЗ&ТсЗцк^^-^

Рис. 2.57. Пластинчатый водо-водяной телообменник: общий вид (а); схема движения теплоносителей (б)

Регенеративные теплообменники - это такие аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то горячей, то холодной жидкостью (рис. 2.58). Поверхность нагрева регенератора называется теплоаккумулирующеи насадкой. Сначала насадка отбирает (аккумулирует) теплоту от горячего теплоносителя / и нагревается, а затем отдает энергию холодному теплоносителю II. В разные периоды времени теплообмена (нагрев или охлаждение поверхности нагрева) направление теплового потока в каждой точке поверхности нагрева изменяется на противоположное.

Теплоаккумули-рующая насадка >

Дымовые ■ газы

Дымовые газы

г

I Воздух

Рис. 2.58. Простейший регенеративный теплообменник с неподвижной насадкой: I- горячий теплоноситель; II - холодный теплоноситель

Таким образом, в регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условия^ тогда как рекуперативные теплообменные аппараты большей частью работают в стационарном режиме. Типичным примером регенеративных аппаратов являются воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей.

Теплоаккумулирующая насадка регенеративных аппаратов может быть выполнена из различных материалов и при работе аппарата оставаться неподвижной или перемещаться.

1400x2500

1400x3600

В качестве примера на рис. 2.59
представлена схема регенеративного

воздухоподогревателя котельного агрегата, с вращающейся насадкой. Ротор регенератора имеет насадку из тонких гофрированных стальных листов, которая медленно вращается со скоростью 2-5 об/мин. К кожуху присоединяются воздушный и газовый короба. Во время работы теплообменника при вращении ротора нагретые элементы насадки непрерывно переходят из полости горячих газов в полость холодного воздуха, а охладившиеся элементы -наоборот.

Воздух

Дымовые газы

Смесительные тепломассообменные

Рис. 2.59. Регенеративный воздухоподогреватель с вращающейся насадкой: 1 - газовые патрубки; 2, 5 - радиальное и периферийное уплотнения; 3 - неподвижный наружный кожух; 4 - насадка; 6 - вал ротора; 7 - верхний и нижний подшипники; 8 - воздушные патрубки; 9 - электродвигатель

аппараты - это устройства, в которых осуществляется тепломассообмен при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной сред. Поэтому такие аппараты иногда называют контаШными (рис. 2.60). Наиболее важным фактором в рабочем процессе смесительного тепломассообменного аппарата является поверхность соприкосновения теплоносителей, которая создается в насадке или на тарелках за счет разбиения теплоносителей на тонкие струйки. Типичным

11*\выпар

вода Рис. 2.60. Принципиальная схема смесительного тепломассобменного аппарата:. /, /* - первый теплоноситель с начальными и конечными параметрами; II, II* - второй теплоноситель с начальными и конечными параметрами

примером таких теплообменников являются градирни тепловых электрических станций. В градирнях вода охлаждается атмосферным воздухом. Воздух непосредственно соприкасается с водой и перемешивается с паром, возникающим из-за частичного испарения воды. Кроме градирен, к смесительным тепломассообменным аппаратам относятся деаэраторы, декарбонизаторы, контактные экономайзеры, скрубберы и другие.

В теплообменниках с внутренними
источниками энергии применяются не два, как
обычно, а один теплоноситель, который отводит
теплоту, выделенную в самом аппарате. Примером
таких аппаратов могут служить ядерные реакторы,
электронагреватели и другие устройства.
Независимо от принципа действия тешюобменные
аппараты, применяющиеся в различных областях
техники, как правило, имеют свои специальные
названия. Эти названия определяются

теплотехнической точки зрения все передачу теплоты и вещества от одного теплоносителя к другому или поверхности твердого тела к движущимся теплоносителям. Последнее и определяет те общие положения, которые лежат в основе теплового расчета любого теплообменного аппарата.

технологическим назначением и конструктивными особенностями теплообменных устройств. Однако с аппараты имеют одно назначение

Тепловые расчеты теплообменных аппаратов могут быть конструктивными и поверочными.

Конструктивные (проектные) тепловые расчеты выполняются при проектировании новых аппаратов, целью расчета является определение поверхности теплообмена.

Поверочные тепловые расчеты вьшолняются в случае, если известна поверхность нагрева теплообменного аппарата и требуется определить количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих жидкостей.

Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному решению уравнений теплового баланса и теплопередачи. Эти два уравнения лежат в основе любого теплового расчета.

Рассмотрим стационарный режим работы теплообменника, изображенного на рис. 2.61.

лу₂,о₂,с₂

■ I с

1 1_ьО_ьС_х

Г'

]

ч

Рис. 2.61. Принципиальная схема рекуперативного теплообменного аппарата типа

«труба в трубе»

Уравнение теплового баланса для такого теплообменника выглядит следующим образом:

2 = едй -фчп = <%Й г<& • (2-239)

Здесь и в дальнейшем индекс «1» означает, что данная величина отнесена к горячему теплоносителю, а индекс «2» - к холодному. Обозначение (штрих) соответствует данной величине на входе в теплообменник, (два штриха) - на выходе.

Для аппаратов с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей уравнение можно записать в виде

й = Ш-ОПп-<Ъ<Ц&-А\ (2-240)

В уравнениях (2.239) и (2.240) б ^- тепловая производительность, Вт; 0\1&С₂- расходы теплоносителей, неизменяющих агрегатного состояния, кг/с; Д- расход теплоносителя, изменяющего агрегатное состояние, кг/с; С\ и Сг - теплоемкости теплоносителей, Дж/(кг-К); /1 и 1г - температуры теплоносителей, °С; ц и г_к - энтальпии пара и конденсата, Дж/кг; г\_п -коэффициент, учитывающий потери теплоты аппаратом в окружающую среду.

На основе уравнений (2.239) и (2.240) определяют расход теплоносителей:

а) для теплообмена без изменения агрегатного состояния теплоносителей

О- ------ Я. ---- ис₂=------ Я. -----; (2.241)

сМ-Фъ с₂«"₂-{'₂),_1п

б) для теплообмена с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей

ц ₌ б₂С_?(/|-^) ₍₂₂₄₂₎

Поверхность нагрева теплообменника определяют из уравнения теплопередачи:

б = №"*.. (2.243)

где к - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²-°С); Р - площадь поверхности теплообмена, м²; А1ср - средний по поверхности температурный напор между теплоносителями, °С.

При конструктивном расчете теплообменных аппаратов тепловая производительность б, Вт, задается, а требуется определить площадь поверхности теплообмена Р, м². Последняя находится из уравнения (2.243)

р = -0—. (2.244)

кЛ1_ср

Из этого уравнения следует, что при нахождении поверхности теплообмена задача сводится к вычислению коэффициента теплопередачи к, Вт/(м²-°С), и усредненного по всей поверхности температурного напора /Н^,, °С.

Коэффициент теплопередачи для плоской стенки может быть найден по формуле (2.199). В случае цилиндрической стенки расчет также можно производить по формуле (2.199), при этом погрешность расчета не будет превышать 1 - 3 %.

Для обеспечения наилучших условий теплопередачи необходимо, чтобы средний температурный напор между теплоносителями был максимальный. Характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности нагрева зависит от схемы их движения и соотношения их водяных эквивалентов.

Под водяным эквивалентом Ж, Вт/°С, понимают произведение удельной изобарной теплоемкости С, Дж/(кг°С), на массовый расход теплоносителя С, кг/с,

Ж = С-в. (2.245)

Тогда уравнение (2.239) без учета потерь в окружающую среду можно записать в следующем виде:

Из последнего уравнения можно получить отношение водяных эквивалентов

(2.246)

IV,

Ь. __ %

г' - г"

Г, -Ту

(2.247)

Дата добавления: 2014-01-04