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.

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.

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.

Смесительные тепломассообменные

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

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

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