Теплообменные аппараты

Судовые вспомогательные Установки и системы

Тексты лекций

https://www.dropbox.com/sh/z9493e40zjyegag/AAAsSVUhcBJ-B9vMsXsksA-pa? dl=0

Одесса - 2015

Теплообменные аппараты

Назначение и классификация теплообменных аппаратов

Теплообменный аппарат – это устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя средами (теплоносителями), имеющими различные температуры.

По принципу действия ТА делят на три вида:

- рекуперативные ТА, в которых греющая и нагреваемая среды разделены неподвижной поверхностью теплообмена. К этому типу относится подавляющее большинство судовых ТА;

- регенеративные ТА, в которых поверхность нагрева попеременно омывается то греющей, то нагреваемой средой. При этом теплота то аккумулируется в материале регенератора за счёт охлаждения греющей среды, то отдаётся нагреваемой среде.

Регенераторы бывают неподвижные и вращающиеся. Примеры: а) кирпичная кладка нагревается горячими газами, а затем отдает тепло воздуху. Газ и воздух подаются в регенератор попеременно с помощью соответствующих шиберов; б) во вращающемся воздухопо­догревателе металлическая набивка (матрица) при вращении нагре­вается горячими газами, а затем отдает тепло воздуху;

- смесительные ТА, в которых теплообмен происходит в процессе смешивания рабочих сред (к ним относятся судовые деаэраторы).

Рекуперативные ТА и регенеративные ТА ещё называют поверхностными ТА.

К теплообменным аппаратам предъявляют следующие основные требования:

1. Аппарат должен обеспечивать передачу требуемого количества тепла от одной среды к другой с получением необходимых конечных температур.

2. Поверхность теплообмена и другие элементы конструкции аппарата, омываемые рабочей средой, должны обладать достаточной химической стойкостью к этой среде.

3. Для сохранения продолжительной работоспособности в процессе эксплуатации при обработке загрязненной среды или среды, выделяющей отложения на стенках, в конструкции аппарата должна быть предусмотрена возможность осмотра поверхностей теплообмена и доступность их для периодической очистки.

4. При данной тепловой нагрузке и других рабочих параметрах аппарат должен иметь возможно меньшие габариты и возможно меньшую удельную металлоемкость.

Из последнего вытекает требование максимального увеличения интенсивности теплообмена.

Под интенсивностью процесса в теилообменном аппарате следует пони­мать количество тепла, передаваемое в единицу времени через единицу по­верхности теплообмена при заданном тепловом режиме. Этот же параметр можно определить как удельную тепловую производительность аппарата.

Количество тепла, передаваемое от одной среды к другой через поверхность теплообмена рассчитывается по основной формуле теплопередачи:

Q=kFΔ t, Вт,

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/м²·K;

F – поверхность теплообмена, м²;

Δ t = t₁-t₂ – разность температур греющей и нагреваемой среды (температурный напор), K.

Процесс теплообмена является сложным физическим процес­сом, зависящим от многих факторов. При заданных значениях поверхности теплообмена аппарата и температурном напоре интенсивность процесса характеризуется коэффициентом тепло­передачи, который для плоской стенки определяется формулой:

где α ₁ – коэффициент теплоотдачи от горячей среды к стенке, Вт/м²·K;

1/α ₁ – термическое сопротивление теплоотдаче от горячей среды к стенке, м²·K/Вт;

δ – толщина стенки (или слоя осадка), м;

λ – коэффициент теплопроводности стенки (или слоя осадка), Вт/м·K;

– суммарное термическое сопротивление стенки с учетом отложений на ней, м²·K/Вт;

α ₂ – коэффициент теплоотдачи от стенки к холодной среде, Вт/м²·K;

1/α ₂ – термическое сопротивление теплоотдаче от стенки к холодной среде.

Анализ уравнения показывает, что коэффициент теплопередачи зависит в основном от значения наибольшего из термических сопротивлений. Поэтому для интенсификации процесса необходимо, прежде всего, уменьшить термическое сопротивление с той стороны, с которой оно является наибольшим.

Коэффициент теплопередачи всегда меньше любого из коэффициентов теплоотдачи и снижается с увеличением толщины стенки, уменьшением коэффициента ее теплопроводности, а также с увеличением толщины слоев отложений на ней.

Если своевременно не очищать поверхность теплообмена от загрязнений, то тепловая производительность аппарата быстро уменьшится.

Требования к теплообменному аппарату не только разнооб­разны, но и противоречивы. Например, теплообменник всегда желательно эксплуатировать с возможно большим коэф­фициентом теплопередачи. Это влечет за собой повышение скорости движения рабочей среды или введение турбулизаторов в поток среды, омывающей рабочую поверхность; при этом час­то недопустимо увеличение гидравлических потерь в теплооб­менниках. Кроме того, желательна возможность разборки рабо­чей части аппарата для осмотра и очистки поверхности теплооб­мена от загрязнений, но при этом остается требование надежной герметичности системы каналов, не допускающей даже незначи­тельную утечку рабочей среды из аппарата или проникновение одной среды в другую.

Основными параметрами, определяющими конструктивное исполнение ТА, являются:

- назначение;

- рабочие среды;

- потоки;

- температуры;

- давления;

- тепловая нагрузка.

Также на конструкцию ТА могут влиять дополнительные требования, такие как простота очистки или абсолютное исключение смешения двух сред (последнее обеспечивается, например, применением двойных трубок).

Очевидно, что одной универсальной конструкции теплооб­менного аппарата, которая соответствовала бы всем требовани­ям различных областей применения и работала бы при этом достаточно эффективно, существовать не может.