Регенеративные поверхностные теплообменники

В зависимости от взаимного направления движения теплоносителей (сред) подразделяются на теплообменники:

·  прямоточные теплообменники, когда теплоносители движутся в одном направлении;

·  противоточные теплообменники, когда теплоносители движутся в противоположных направлениях;

·  смешанные теплообменники, когда в одних частях теплообменника – прямоточное движение, в других – противоточное;

·  перекрестные
, когда в теплообменниках теплоносители движутся в перекрестном направлении.

Регенеративные поверхностные теплообменники – устройства, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омываются попеременно то горячей средой, то холодной средой (воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей). Передача теплоты осуществляется с помощью специальных насадок (керамических тел, металлической стружки, гофрированной ленты и т. д.) – аккумуляторов теплоты, которые поочередно и омываются то горячим, то холодным теплоносителем.

Контактные (смесительные) теплообменники – устройства, в которых процесс тепломассообмена происходит при непосредственном соприкосновении и перемешивании теплоносителей (градирни, деаэраторы).

Теплообменники с внутренними источниками теплоты – устройства с одним теплоносителем, в котором отводится теплота, выделенная в самом теплообменнике (электронагреватели, ядерные реакторы).

2. По назначению подразделяются на: подогреватели; испарители; холодильники; конденсаторы.

3. по конфигурации поверхностей теплообмена могут быть: трубчатые; змеевиковые; пластинчатые; спиралеобразные.

Наиболее часто в практике встречаются рекуперативные поверхностные теплообменники.

Простейшим представителем такого теплообменника является теплообменник «труба в трубе» (рисунок 1), в котором один из теплоносителей проходит по внутренней трубе, второй – кольцевом зазоре между трубами. Этот теплообменник применяют при небольших значениях передаваемого теплового потока Q, Вт, (например, местное горячее водоснабжение), так как противном случае он становится громоздким и металлоемким.

Несмотря на различия в принципе действия и в конструктивном устройстве, основы теплового расчета одинаковы для всех теплообменных аппаратов.

1 – внутренняя труба; 2 – наружная труба; 3 – соединительная труба;

4 – соединительный штуцер; I, II – вход и выход теплоносителей

Рисунок 1 – Теплообменник типа «труба в трубе»

В основу теплового расчета положены два уравнения:

1. Уравнение теплового баланса:

(1)

(2)

где с1, с2 – удельная теплоемкость (при р = const) греющего и нагреваемого теплоносителя, кДж/(кг·К);

ηt – поверхностный КПД теплообменника, ηt = 0,90…0.95 (при хорошей теплоизоляции корпуса теплообменника);

М1, М2 – массовый расход, кг/с, соответственно горячего (греющего) и холодного (нагреваемого) теплоносителя;

– начальная и конечная температура греющего (горячего) теплоносителя, ºС;

– начальная и конечная температура нагреваемого (холодного) теплоносителя, ºС;

– начальная и конечная удельная энтальпия греющего (греющего) теплоносителя, Дж/кг;

– начальная и конечная удельная энтальпия нагреваемого (холодного) теплоносителя, Дж/кг

2. Уравнение теплопередачи:

(3)

где F – площадь поверхность теплообмена, м2;

∆tср – средний температурный напор (перепад), град;

к – коэффициент теплопередачи, Вт/(м2·град).

(4.а)

(4.б)

где ∆tб, ∆tм – температурный перепад теплоносителей соответственно средний, больший и меньший на концах теплообменника.

В прямоточном теплообменнике значение ∆tб всегда равно разности температур теплоносителей на входе в теплообменник, ∆tб = (t1| – t1||), ∆tм – на выходе из него, ∆tм = (t2| – t2||).

В противоточном теплообменнике ∆tб равно разности температур теплоносителей на входе греющего и на выходе нагреваемого, ∆tб = (t1| – t2||), а ∆tм равно разности температур теплоносителей на входе нагреваемого и на выходе греющего, ∆tм = (t2|| – t1|).

При значении (∆tб/∆tм) < 2 можно ∆tср определять по формуле (4а) и погрешность не будет превышать 4 %.

Коэффициент теплопередачи плоской и цилиндрической стенки, Вт/(кг·К),

(5.а)

(5.б)

где α1 – коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя к поверхности внутренней трубы, Вт/(м2×К);

α2 – коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности внутренней трубы к нагреваемому теплоносителю, Вт/(м2×К);

dст – толщина стенки труб, м;

λ – коэффициент теплопроводности материала стенки труб, Вт/(м×К);

d1, d2, dср – внутренний, наружный и средний диаметр внутренней трубы, м.

если α1 > α2, то dср = dн; если α1 ≈ α2, то dср = 0,5(dн + dв), если α1 < α2, то dср = dв.

При d2/d1 ≤ 1,5 или когда погрешность, %, при определении коэффициента теплопередачи по формулам (5а) и (5б) составляет не более 4% кривизной стенки можно пренебречь и использовать формулу (5а)