Основные положения. Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой

Теплообменными аппаратами называются устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой. Разновидностью теплообменных аппаратов являются рекуперативные теплообменники или рекуператоры [1].

В рекуператорах горячая и холодная среды с различными температурами текут в пространстве, разделенном стенкой. Теплообмен происходит за счет конвективного теплоотдачи, а если одна из сред является излучающим газом, то и за счет теплового излучения. Примером таких аппаратов являются парогенераторы, подогреватели, конденсаторы, выпарные аппараты и т.д. Режим работы таких аппаратов в основном стационарный.

Характер изменения температур рабочих сред по поверхности рекуперативного теплообменного аппарата зависит от схемы их движения. Наиболее простыми схемами движения являются: прямоток (рис. 3, а), противоток (рис. 3, б) и перекрестный ток (рис. 3, в). Существуют аппараты и с более сложными схемами движения теплоносителя [2].

а)	б)	в)

Рис. 3 – Схемы движения рабочих сред

От того, какая схема движения теплоносителей применена, во многом зависит тепловая нагрузка и эффективность теплообменного аппарата.

Расчет рекуператоров, работающих в стационарном режиме, ведется на основе уравнений теплового баланса и теплопередачи [2].

Уравнение теплового баланса имеет вид, Вт:

, (13)

где и – расходные (полные) теплоемкости теплоносителей, Вт/К; и – изменение температур горячего и холодного теплоносителей; ; . Потерями теплоты в теплообменном аппарате пренебрегаем.

Отсюда можно заключить, что:

, (14)

т.е. изменение температур теплоносителей обратно пропорционально их расходным теплоемкостям.

Уравнение теплопередачи определяет количество теплоты , передаваемой через заданную элементарную поверхность в единицу времени, если заданы температуры греющего и нагреваемого теплоносителей [1]:

, (15)

где – коэффициент теплопередачи от одного теплоносителя к другому, Вт/(м2×К).

Коэффициент теплопередачи характеризует интенсивность передачи теплоты от одной среды к другой через разделяющую их стенку. Он численно равен количеству теплоты, проходящей через единицу поверхности стенки в единицу времени при разности температур между средами в один градус.

Если = const, то

. (16)

Здесь – среднелогарифмический температурный напор, определяемый выражением

, (17)

где и – наибольший и наименьший температурные напоры на входе и выходе из теплообменников.

При прямотоке (рис. 4, а)

; .

При противотоке (рис. 4, б)

; .

Или при противотоке (рис. 4, в)

; .

Рис. 4 – Схемы движений жидкостей

Если , вместо среднелогарифмического температурного напора можно использовать среднеарифметическое его значение

. (18)

В этом случае ошибка составляет не более 4 %, что допустимо для прикидочных технических расчетов.

Термодинамическая эффективность теплообменника есть отношение количества теплоты, передаваемой в данном теплообменнике, к количеству теплоты, передаваемой в теплообменнике с бесконечно-большой поверхностью теплообмена с теми же параметрами на входе.

Выражение для термодинамической эффективности имеет вид [3].

, (19)

где – минимальное значение величин и .

В общем случае, эффективность теплообмена является функцией двух параметров [2]

. (20)

Параметр – безразмерный коэффициент теплопередачи – характеризует теплообменную способность аппарата. Зависимость между и имеет асимптотический характер. В зарубежной литературе величина называется числом единиц переноса тепла (ЧЕП) – Number of Heat Transfer Units (NTU) [4].

Значения эффективности прямоточного и противоточного теплообменников приведены на рис. П. 12 [3]. Конечные температуры теплоносителей определяются по формулам:

; (21)

. (22)