Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Общие положения. Теплообменный аппарат (теплообменник) - это устройство, предназначенное для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому, т. е. нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого.

По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные (рис. 1.9).

К поверхностным теплообменным аппаратам относятся:

▪ рекуперативные, если теплоносители движутся одновременно отно­сительно разделяющей их стенки;

▪ регенеративные, если одна и та же поверхность нагрева омывается периодически то горячим, то холодным теплоносителем.

В рекуперативных теплообменниках теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку, т. е. эта стенка служит поверхностью теплообмена. Поэтому для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей тепло­проводностью: меди, стали, латуни, сплавов алюминия и т. д.

Рис.1.9. Классификация теплообменных аппаратов

В зависимости от конструктивного выполнения поверхности тепло­обмена рекуперативные теплообменные аппараты разделяют:

• на кожухотрубные;

• двухтрубные типа «труба в трубе»;

• змеевиковые;

• оросительные;

• трубчатые выпарные и т. д.

Регенеративные теплообменники и теплообменники с промежуточ­ным теплоносителем работают фактически по одному и тому же принципу, заключающемуся в том, что теплота от одного теплоносителя к другому переносится с помощью какого-то третьего вспомогательного вещества.

Это вещество (промежуточный теплоноситель) нагревается в потоке горячего теплоносителя, а затем отдает аккумулированную теплоту холод­ному теплоносителю. Для этого необходимо либо переносить сам проме­жуточный теплоноситель из одного потока в другой, либо периодически переключать потоки теплоносителей в теплообменнике периодического действия.

В регенеративных теплообменниках в качестве промежуточного те­плоносителя используется твердый достаточно массивный материал - лис­ты металла, кирпичи, различные засыпки.

Регенеративные теплообменники незаменимы для высокотемпера­турного (t > 1000 °C) подогрева газов, поскольку жаростойкость металлов ограничена, а насадка из огнеупорных кирпичей может работать при очень высоких температурах. Иногда регенеративные теплообменники выгодно использовать и для охлаждения запыленных газов, которые способны бы­стро изнашивать или забивать трубки рекуператоров.

В смесительных теплообменных аппаратах теплообмен происходит при смешении теплоносителей без разделяющей их твердой поверхности. Наиболее простыми и компактными являются смесительные теплообмен­ники, в которых смешиваются теплоносители, не требующие дальнейшего разделения, например при подогреве воды паром (деаэраторы).

Используются смесительные теплообменники и для легко разде­ляющихся теплоносителей: газ - жидкость, газ - дисперсный твердый ма­териал, вода - масло и т. д. Для увеличения поверхности контакта тепло­носителей их тщательно перемешивают, жидкости разбрызгивают или раз­бивают на мелкие струи.

Теплообменники типа «труба в трубе». Одним из наиболее распространенных теплообменных рекуператив­ных аппаратов являются двухтрубные теплообменники типа «труба в трубе» (рис. 1.10).

Рис. 1.10. Схема элемента двухтрубного противоточного

теплообменного аппарата

Теплообменники этого типа представляют собой батарею из не­скольких теплообменных элементов, расположенных один под другим. Каждый элемент состоит из внутренней трубы и охватывающей ее наруж­ной трубы. Внутренние трубы отдельных элементов также, как и наруж­ные трубы, соединены между собой последовательно. Один теплоноситель движется в трубах, а другой - в межтрубном про­странстве по кольцевым каналам между трубами.

Теплообмен между теплоносителями осуществляется через стенки внутренних труб. В двухтрубных теплообменниках обеспечивается высо­кая скорость теплоносителей (даже при малых расходах) и высокая интен­сивность теплообмена. Однако эти теплообменники громоздки и металло­емки; поэтому их применяют преимущественно для проведения процессов нагревания и охлаждения при высоких давлениях. При необходимости создания больших поверхностей теплообмена устанавливают несколько параллельно соединенных батарей.