В основу теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов положены уравнения теплового баланса и обобщённые уравнения теплопередачи. Уравнение теплового баланса ТА формулируется следующим образом: количество теплоты в единицу времени (за вычетом тепловых потерь), отданное нагревающим теплоносителем, равно количеству теплоты, воспринятой нагреваемым потоком, и равно количеству теплоты, пройденной через стенку.
Уравнение теплового баланса:
где: Qпот=тепловой поток в окружающую среду (потери тепла).
где: m1, m2 – расходы теплоносителей, кг/с; с1, с2 – их средние, массовые теплоемкости, Дж/(кг*К); индексы 1 и 2 – горячий и холодный теплоносители; 1штрих и 2 штриха – на входе и выходе.
Уравнение теплопередачи, Вт:
где: Δt – средний температурный напор, К; F – площадь поверхности теплообмена, м2; k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м2*К);
Средний температурный напор:
где: Δtб и Δtм – большая и меньшая разности температур жидкостей на концах ТА.
Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:
α1 и α2 - коэффициенты конвективной теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителей, Вт/(м2*К); λ – теплопроводность стенки, Вт/(м*К); δ - толщина стенки теплообменника, м.
Цель теплового расчета состоит в определении температур теплоносителя на выходе из теплообменника и количества передаваемой теплоты. Рекуперативный ТОА — ТОА в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах,теплообмен происходит через стенку. Тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные ТОА могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а так же перекрестно-точными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.
15 Рекуперативные теплообменники: классификация по варианту схемы движения теплоносителей. Характер изменения температуры теплоносителей в зависимости от схемы тока теплоносителей. Формулы для определения температурного напора.
Основные типы рекуперативных теплообменников.
Кожухотрубные теплообменники. К корпусу, кожуху по торцам приварены трубные решетки, в которых закреплены пучки труб. В основном трубы в решетках крепятся с уплотнением развальцовкой или каким-то другим способом в зависимости от материала труб. Трубные решетки закрываются крышками на прокладках и болтах. На корпусе имеются патрубки, через которые один теплоноситель проходит через трубное пространство. Второй теплоноситель через патрубки на крышках проходит по трубам. Во многоходовом теплообменнике в корпусе и крышках установлены перегородки для повышения скорости теплоносителей. Для увеличения теплоотдачи применяют оребрение теплообменных труб, которое выполняется или накаткой или навивкой ленты. В случае необходимости конструкция аппарата должна предусматривать его очистку.
Элементные теплообменники. Каждый элемент такого аппарата представляет собой простейший кожухотрубный теплообменник без перегородок. Такие аппараты допускают при этом более высокое давление. Однако такая конструкция получается более громоздкой и тяжёлой, чем кожухотрубный аппарат.
Погружные теплообменники. В погружном змеевиковом теплообменнике один теплоноситель движется по змеевику, погруженному в бак с другим жидким теплоносителем. Скорость жидкости в межтрубном пространстве незначительна и, следовательно, теплоотдача от жидкости сравнительно невелика. Такие теплообменники находят применение благодаря своей простоте и дешевизне в небольших установках.
Теплообменники типа «труба в трубе». Теплообменный элемент такого аппарата показан на рисунке. Отдельные элементы соединены между собой патрубками и калачами, образуя цельный аппарат необходимого размера. Эти теплообменники находят себе применение при небольших расходах теплоносителей и при высоких давлениях.
Оросительные теплообменники. Такой тип теплообменников применяется главным образом в качестве конденсаторов в холодильных установок. Оросительный теплообменник представляет собой змеевик из горизонтальных труб, размещённых в вертикальной плоскости в виде ряда параллельных секций. Над каждым рядом находится жёлоб, из которого струйками стекает охлаждающая вода на теплообменные тубы, омывая их наружную поверхность. При этом часть охлаждающей воды испаряется. Оставшаяся вода возвращается насосом, а потери компенсируются из водопровода. Эти теплообменники устанавливаются на открытом воздухе и ограждаются деревянными решетками, чтобы уменьшить унос воды.
Графитовые теплообменники. Теплообменники для химически агрессивных сред изготовляют из блоков графита, который пропитывают специальными смолами для устранения пористости. Графит отличается хорошей теплопроводностью. В блоках просверливают каналы для теплоносителей. Блоки уплотняются между собой прокладками из резины или тефлона и стягиваются крышками со стяжками.
Теплообменники пластинчатые. Такие теплообменники состоят из набора пластин, в которых отштампованы волнистые поверхности и каналы для протока жидкости. Пластины уплотняются между собой резиновыми прокладками и стяжками. Такой теплообменник прост в изготовлении, легко модифицируется (добавляются или убираются пластины), его легко чистить, у него высокий коэффициент теплопередачи, но его нельзя применять при высоких давлениях.
Пластинчато-ребристый теплообменник. Теплообменник такого типа в отличие от пластинчатого теплообменника состоит из системы разделительных пластин, между которыми находятся ребристые поверхности — насадки, присоединенные к пластинам методом пайки в вакууме. С боков каналы ограничиваются брусками, поддерживающими пластины и образующие закрытые каналы. Таким образом, в основу оребренного пластинчатого теплообменника положена жесткая и прочная цельнопаянная теплообменная матрица, построенная по сотовому принципу и работоспособная (даже в исполнении из алюминиевых сплавов) до давления 100 атм. и выше. В пластинчато-ребристых теплообменниках существует большое количество насадок, что позволяет подбирать геометрию каналов со стороны каждого из потоков, реализовывая оптимальную конструкцию. Основные достоинства данного типа теплообменников — компактность (до 4000 м²/м³) и легкость. Последнее обеспечивается за счет применения при изготовлении теплообменной матрицы пакета из тонколистовых деталей из легких алюминиевых сплавов.
Оребрённо-пластинчатые теплообменники. Такой теплообменник состоит из тонкостенных оребренных панелей, изготовленных методом высокочастотной сварки, соединенные поочередно с поворотом на 90 градусов. За счет конструкции, а также многообразия используемых материалов достигаются высокие температуры теплоносителей, небольшие гидравлические сопротивления, высокие показатели отношения телепередающей площади к массе теплообменника, длительный срок службы, низкая стоимость и др. Часто используются для утилизации тепла отходящих газов.
Теплообменники спиральные. Теплообменник представляет собой два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки — керна, среды движутся по каналам. Одно из назначений спиральных теплообменников —нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей.
При выборе между пластинчатыми и кожухотрубными теплообменниками предпочтительными являются пластинчатые, коэффициент теплопередачи которых более чем в три раза больше, чем у традиционных кожухотрубных.[1] Кроме того, у пластинчатых теплообменников занимаемая площадь в 3-4 раза меньше, чем у кожухотрубных.[3]. В то же время иностранные пластинчатые теплообменники, оснащённые средствами автоматики, регулирования и надёжной арматурой, позволяют снизить количество теплоносителя, идущего на нагрев воды. А значит, и диаметры трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры, снизить нагрузки на сетевые насосы и, соответственно, уменьшить потребление электроэнергии. В последнее время стали появляться современные отечественные кожухотрубные теплообменники, оснащенные трубками, профилированными таким образом, чтобы рост гидравлического сопротивления ненамного превышал рост теплоотдачи вследствие применения турбулизаторов потока. Это достигается накаткой на внешней поверхности трубы кольцевых или винтообразных канавок, вследствие образования которых на внутренней поверхности трубы образуются плавно очерченные выступы небольшой высоты, интенсифицирующие теплоотдачу в трубах. Данная технология, в дополнение к таким важным показателям как высокая надежность (также при гидравлическом ударе) и меньшая стоимость, дает отечественному кожухотрубному оборудованию дополнительные преимущества по сравнению с иностранными пластинчатыми аналогами. Но это преимущество исчезает при первой промывке такого теплообменника, так как очистка внутренних поверхностей трубок с винтообразными канавками практически невозможна и ведет к быстрому выходу такого теплообменника из строя. Серьёзной проблемой является коррозия теплообменников. Для защиты от коррозии применяется газотермическое напыление трубных досок, труб пароперегревателей. Это относится не только к кожухотрубным теплообменникам, изготовленным из углеродистой стали. Пластины пластинчатых теплообменников в подавляющем большинстве изготавливаются из коррозионно-стойкой жаропрочной стали, но несмотря на этот факт также подвержены питтинговой коррозии при использовании неингибированных теплоносителей.
Температурный напор — разность характерных температур среды и стенки (или границы раздела фаз) или двух сред, между которыми происходит теплообмен.
