ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОАУДИТА

ТЕПЛООБМЕННЫЕАППАРАТЫ

1. Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором передача теплоты осуществляется от одного - горячего теплоносителя к другому - холодному. По принципу действия теплообменные аппараты бывают: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативным называют теплообменный аппарат, в котором греющий (горячий) и нагреваемый (холодный) теплоносители протекают одновременно, а теплота передается через разделяющую их стенку. К ре­куперативным аппаратам поверхностного типа относят: радиаторы и калориферы систем отопления, пароводяные и водоводяные теплообмен­ники типа «труба в трубе», трубчатые, змеевиковые, спиральные, сото­вые, с ребристыми и пластинчатыми поверхностями [36].

Регенеративным называют теплообменный аппарат, в котором горя­чий теплоноситель вначале передает теплоту твердому телу (металличе­ской или керамической насадке), а в последующий период холодный тепло­носитель воспринимает аккумулированную теплоту за счет соприкосно­вения с нагретым твердым телом. В результате одна и та же поверх­ность твердого материала, имеющего высокую теплоемкость, омывается вначале горячим, а затем холодным теплоносителем, т. е. происходит по­переменный нагрев или охлаждение поверхности теплоемкого материала.

К регенеративным аппаратам относят: воздухоподогреватели с вращаю­щейся насадкой, дробепоточные установки.

Смесительным называют теплообменный аппарат, в котором пере­дача теплоты осуществляется путем непосредственного соприкосновения горячего и холодного теплоносителей, сопровождающегося полным или частичным смешением. К смесительным установкам относят атмосфер­ные деаэраторы (ДСА), камеры кондиционеров, градирни.

Греющим теплоносителем в теплообменных аппаратах чаще всего служит водяной пар, горячая вода, продукты сгорания органического топ­лива, горячий воздух и реже масло, различные растворы.

В теплообменных аппаратах происходит непрерывный процесс пере­дачи теплоты: один теплоноситель отдает теплоту, а другой непрерыв­но ее получает. Температура горячего и холодного теплоносителей, а сле­довательно, и температурный напор в аппарате постоянно меняются по ходу движения.

При конструктивном расчете теплообменного аппарата (теплооб­менника) обычно требуется определить необходимую поверхность тепло­обмена, а при поверочном расчете - температуру горячего и холодного теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата. В основе расчетов теплообменных аппаратов лежат:

• уравнение теплового баланса:

Q = Q1 = Q2 + AQ, кВт,

• уравнение теплопередачи:

Q = кЕ (?1Ср - ?2Ср) = кЕAt, кВт;

Где Q1 - количество теплоты, отданное горячим теплоносителем, кВт; Q2

- количество теплоты, воспринятое холодным теплоносителем, кВт; AQ

- потери теплоты теплообменником в окружающую среду и утечки теп­лоносителей, кВт; k - средний коэффициент теплопередачи, кВт/(м2 - К); F - площадь поверхности теплообмена, м2; t1cv - средняя температура горячего теплоносителя в теплообменном аппарате, °С; і2ср - средняя температура холодного теплоносителя, °С; Atср - средний температур­ный напор в теплообменном аппарате, °С.

В уравнении теплового баланса количество теплоты Q для любых те­плоносителей (водяного пара, воды, воздуха, растворов) имеет вид:

Q = G1 Ai1= G2 Ai2, кВт,

Где G1 и G2 - массовые секундные расходы горячего и холодного теплоно­сителей, кг/с; Ai1, Ai2 - изменения энтальпии горячего и холодного тепло­носителей в теплообменнике, кДж/кг.

2. Для теплообменника, в котором агрегатное состояние теплоно­сителей постоянно и не меняется (вода, воздух, топочные газы), измене­ние энтальпии, кДж/кг, горячего Ai1 и холодного Ai2 теплоносителей

Ai1 = ср1 (t[ - tf); Ai2 = ср2 (t'2 - t2),

Где t[ и t1" - температуры горячего теплоносителя на входе и выходе из теплообменного аппарата, °С; ср1 - средняя массовая, изобарная теплоем­кость горячего теплоносителя в интервале температур от t[ до t'{, кДж/(кг - К); t'2 и t'2 - температуры холодного теплоносителя на входе и выходе из теплообменного аппарата, °С; ср2 - средняя массовая, изобарная теплоемкость холодного теплоносителя в интервале температур от t2

До t'', кДж/(кг - К).

Соответственно, для водо-водяных теплообменников потоки тепло­ты от горячего Q1 к холодному Q2 теплоносителю определяются из вы­ражения, кВт:

Qi = Wi(tj - t') = Gi срі (tj - tj);

Q2 = W2(t"2 - t'2) = G2 ср2 (t'2 - t'2),

Где W1 и W2 - водные эквиваленты горячего и холодного теплоносителей, кВт/К.

3. Для теплообменника, в котором агрегатное состояние теплоно­сителя меняется при конденсации пара или кипении жидкости (водяной пар), изменение энтальпии теплоносителя АІ, кДж/кг, зависит от его аг­регатного состояния (перегретый, сухой насыщенный или влажный насы­щенный пар), давления насыщенного пара или давления и температуры перегретого пара.

Соответственно для паровых водоподогревателей тепловая нагрузка Q определяется по расходу пара D на нагрев воды или расходу нагреваемой жидкости Ов.

Q = D(iu - ік) = Ов св (tк - tH),

Где D - расход пара в теплообменнике, кг/с; іп, ік - энтальпии пара, посту­пающего в аппарат, и конденсата после теплообменника, кДж/кг; Ов - рас­ход нагреваемой жидкости, кг/с; св = 4Д9 кДж/(кг - К) - теплоемкость воды; tн, tк - температура нагреваемой воды до и после теплообменника, °С.

4. Для теплообменника, в котором осуществляется процесс тепломас­сообмена, например, нагрев или охлаждение воздуха водой в камере оро­шения кондиционера, тепловая нагрузка Q определяется по расходу нагре­ваемого или охлаждаемого воздуха М или расходу нагреваемой или охлаж­даемой жидкости (обычно воды) Ов.

Q = М^ - І2) = Ов св (4 - а

Где М - расход воздуха, кг/с; Ij и I2 - начальная и конечная энтальпии влажного воздуха или парогазовой смеси, кДж/кг; Ов - расход жидкости, кг/с; св = 4Д9 кДж/(кг - К) - теплоемкость воды; 4, 4 - температура воды до и после тепломассообмена, °С.

5. Теплообменные аппараты классифицируются и по относительно­му характеру движения теплоносителей:

• прямоточные - горячий и холодный теплоносители движутся в одинаковом направлении;

• противоточные - горячий и холодный теплоносители движутся в противоположном направлении;

• перекрестные - теплоносители движутся перекрестным ходом.

Схема изменения температуры горячего и холодного теплоносителей

По сечению F прямоточного и противоточного теплообменного аппарата, а также характер распределения температур горячего и холодного теп­лоносителей в зависимости от водных эквивалентов W1 и W2 показаны на рис. 2.3.

Прямоток противоток

Рис. 2.3. Схема изменения температуры горячего и холодного теплоносителей в прямоточном и противоточном теплообменном аппарате

Очевидно, что наибольшая разность температур Ate при прямотоке будет на входе в теплообменник, а наименьшая AtM - на выходе из него. В противоточной схеме место наибольшей и наименьшей разностей темпе­ратур заранее определить нельзя, оно зависит от соотношений водных эквивалентов: W ] > W2 или W] <W2.

6. Средний температурный напор Atv в теплообменном аппарате определяется исходя из математических представлений о среднем значе­нии температуры At, на участке dF

F

1 г

At* = — I At*dF* .

* о

Если при противотоке для обоих теплоносителей W1 = W2, то

At б = AtM = Аср.

Если температуры теплоносителей вдоль поверхности нагрева F ме­няются незначительно, когда (At6 /AtM) < 1,8, средний температурный напор At^ можно считать как средний арифметический:

Atep = 0,5(At6 + A/м).

Во всех остальных случаях средний температурный напор At^ при противотоке и прямотоке считают как средний логарифмический. Значение среднеарифметического температурного напора всегда больше среднелога - рифмического.

Среднелогарифмический температурный напор At^ в прямоточных и противоточных аппаратах примет вид:

At6 - Дґм

At = —6----------------------------------------------------- м

Ср At ' ln ^L Дм

Температурный напор At^ вдоль поверхности F при прямотоке изме­няется сильнее, чем при противотоке. Вместе с тем среднее значение тем­пературного напора при противотоке больше, чем при прямотоке. За счет этого фактора при противотоке теплообменник получается более компакт­ным. Поэтому в противоточных аппаратах, при прочих одинаковых усло­
виях, либо меньше площадь теплообмена, либо передается большее коли­чество теплоты.

Очевидно, что при противотоке можно получить температуру нагре­ваемой жидкости выше, чем конечная температура горячего теплоносителя. В то же время при весьма высоких температурах горячего теплоносителя прямоточная схема оказывается предпочтительнее, ибо материал аппарата работает в более благоприятных термических условиях и менее подвержен разрушению.

7. Паровые водоподогреватели подбираются по поверхности нагрева F, м2, из уравнения теплопередачи

F = Ю3 Q/(k At n),

Где Q - тепловая нагрузка, кВт; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 - К), при расчетах принимается 2500.3000; At - температурный на­пор, °С; n - коэффициент, учитывающий потери теплоты от наружного ох­лаждения, утечки теплоносителей, и принимается равным 0,98.

Тепловая нагрузка Q определяется по расходу пара D на нагрев воды или расходу нагреваемой жидкости Ов:

Q = D(in - ік) = Ов св (4 - 4).

Водо-водяные теплообменники подбирают по поверхности нагрева F,

2

М, из уравнения теплопередачи

F = Ю3 Q/(k At nj),

Где Q - тепловая нагрузка, кВт; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 - К), при расчетах принимается!500...2000; At - температурный на­пор, °С; nj - коэффициент, учитывающий накипь и загрязнение трубок, утечки теплоносителей, а также потери теплоты от наружного охлаждения, принимается 0,8.0,9.

Тепловая нагрузка Q определяется по максимальному значению рас­хода греющей или нагреваемой жидкости Ов, кг/с, и разности температур этой жидкости А4, °С, на входе и выходе из теплообменника:

Q = Ов св Atв.

При выборе теплообменников необходимо проверять допустимую скорость теплоносителя ю, м/с, или уточнять требуемое живое сечение f м2, для пропуска заданного расхода О, кг/с. Во всех случаях используют уравнение неразрывности потока, согласно которому массовый секундный расход О = р ю f где р - плотность теплоносителя, кг/м3.