Теплобменные аппараты
Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому. В качестве теплоносителей в них используют пар, горячую воду, дымовые газы и другие тела. По принципу действия и конструктивному оформлению теплообменники разделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.
В рекуперативных теплообменниках теплопередача от греющего теплоносителя к нагреваемому происходит через разделяющую их твердую стенку» например стенку трубы. Процесс теплообмена в них; протекает обычно при стационарном режиме.
В зависимости от взаимного направления движения теплоносителей теплообменники этого типа подразделяются на противоточные, прямоточные и перекрестные. Если теплоносители движутся в противоположном направлении (рис. 1.37»а), теплообменники называются противоточными; при движении теплоносителей в одном направлении (рис. 1.37,6)—прямоточными; наконец, если теплоносители движутся в перекрестном направлении (рис. 1.37, о), — перекрестными. Встречаются и более сложные схемы взаимного направления движения теплоносителей.
К числу рекуперативных теплообменников относятся паровые котлы, водонагреватели, приборы системы центрального отопления и др. На рис. 1.38 показан пример рекуперативного теплообменника — противоточный скоростной водонагреватель, применяемый в системах отопления. В нем нагреваемая вода проходит в межтрубном пространстве, а нагревающая — по трубам.
В регенеративных теплообменниках процесс теплообмена происходит в условиях нестационарного режима. В этих теплообменниках поверхность нагрева представляет собой специальную насадку из кирпича, металла или другого материала, которая сначала аккумулирует тепло,- а затем отдает его нагреваемому теплоносителю. По такому принципу работают, например, регенераторы стеклоплавильных печей. Отопительные печи также относятся к группе регенеративных тепло-; обменников.
В смесительных теплообменниках процесс теплообмена осуществляется при непосредственном соприкосновении и перемешивании теплоносителей. Примером такого теплообменника является башенный охладитель (градирня), предназначенный для охлаждения воды воздухом.
Рекуперативные и регенеративные теплообменники называют поверхностными, поскольку теплопередача в них связана с поверхностью нагрева или охлаждения, а смесительные — контактными.
Тепловые расчеты теплообменников разделяются на проектные и поверочные. Проектные (конструктивные) тепловые расчеты выполняют при проектировании новых аппаратов для определения необходимой поверхности нагрева. Поверочные тепловые расчеты выполняют в том случае, если известна поверхность нагрева теплообменника и требуется определить количество переданного тепла и конечные температуры теплоносителей.
Ниже рассматриваются основы теплового расчета лишь рекуперативных теплообменников как наиболее распространенных. При проектном (конструктивном) тепловом расисте теплообменника рабочая поверхность Г, ы~, его определяется из уравнения теплопередачи
Формулы (1.188) и (1.189) позволяют сравнить температурные напоры в теплообменниках с протиниточной и прямоточной схемами движения теплоносителей. При одинаковых температурах теплоносителей на входе и выходе в противоточном теплообменнике средний температурный напор получается наибольшим, а в прямоточном — наименьшим. Вследствие большей величины среднего температурного напора поверхность нагрева при противоточной схеме движения теплоносителей и прочих равных условиях будет наименьшей.
При незначительной разности температурных напоров А/макс и Л(мин вместо выражения (1.187) можно пользоваться формулой среднеарифметического
т. е. отношение изменения температуры теплоносителей в пределах теплообменного аппарата обратно пропорционально отношению их водяных эквивалентов.
Для приближенного определения конечных температур теплоносителей теплообменника яз уравнения теплового баланса имеем
Если принять, что температура теплоносителей вдоль поверхности изменяется по линейному закону, то
Определив Q и подставив его величину в формулы (1.195) и (1.196), найдем конечные температуры теплоносителей t1 и f2.
