1. Общие сведения.
Теплота является
наиболее универсальной формой
энергии, возникающей в результате
молекулярно-кинетического ( теплового
) движения микрочастиц – молекул, атомов,
электронов. Универсальность тепловой
энергии состоит в том, что любая форма
энергии ( механическая, химическая, электрическая,
ядерная и т.п. ) трансформируется в конечном
счете либо частично, либо полностью в
тепловое движение молекул ( теплоту ).
Различные тела могут обмениваться внутренней
энергией в форме теплоты.
Теплообмен самопроизвольный
процесс переноса теплоты в
пространстве с неоднородным
температурным полем. Независимо
от механизма переноса, тепловой
поток всегда направлен от
более нагретого к менее нагретому
телу, а сам процесс теплообмена,
является необратимым. Теплообмен
между телами зависит от формы
и размеров, а также от времени
процесса, так как происходит
в конкретных пространственно-временных
условиях. Другими важными факторами
являются физические свойства
тел и их агрегатное состояние.
В результате перепад температур,
геометрия и физические свойства
тел, агрегатное состояние и
параметры теплоносителя, а также
время процесса будут определять
интенсивность теплообмена и
количество переносимой теплоты.
2. Типы
теплообменных аппаратов.
Теплообменный
аппарат – это устройства, в
котором осуществляется передача
теплоты от горячего теплоносителя
холодному (нагреваемому). Теплоносителями
могут быть газы, пары, жидкости.
В зависимости от назначения
теплообменные аппараты используют
как нагреватели и как охладители.
Теплообменники
широко применяют в различных промышленных
технологических процессах, в отопительных
системах, в двигателях внутреннего и
внешнего сгорания и их системах в качестве
охладителя наддувочного воздуха в поршневых
двигателях с наддувом, радиатора в системе
охлаждения и смазочной системе, охладителя
и нагревателя в газотурбинных двигателях,
экономайзера, пароперегревателя, конденсатора,
подогревателя в паросиловых установках,
а также в других целях.
По способу
передачи теплоты теплообменники
подразделяют на рекуперативные, регенеративные
и смесительные.
В рекуперативных
теплообменниках каналы, по которым
движутся горячий и холодный
теплоносители, разделены и
теплота передается через разделяющую
их стенку. При неизменных параметрах
теплоносителей на входе остаются
неизменными, независимыми от
времени, и параметры в любом
из сечений каналов, т.е. процесс
теплопередачи имеет стационарный
характер. Поэтому рекуперативные
теплообменники называют также
стационарными.
Ту часть теплообменника,
в которой происходит процесс
передачи теплоты, называют теплопередающей
матрицей. Подвод теплоносителей
к матрице и отвод их осуществляется
по входному и выходному коллекторам.
В зависимости от
направления движения теплоносителей
рекуперативные теплоносителей рекуперативные
теплообменники могут быть прямоточными
при параллельном движении теплоносителей
в одном направлении, противоточным при
параллельном встречном движении и перекрестноточными
при взаимно перпендикуляром движении.
В матрице теплоносители
могут совершать один или
несколько ходов. В соответствии
с этим теплообменники называют,
например, одноходовым по горячему
теплоносителю и двухходовым
по холодному теплоносителю. При
увеличении количества ходов
возрастает скорость движения
теплоносителя, что ведет к
интенсификации процесса теплоотдачи
и повышению тепловой эффективности
теплообменника. Однако при этом
растут гидравлические потери
и затраты энергии на обеспечение
движения теплоносителя.
В рекуператорах
передача теплоты может осуществляться
посредством промежуточного теплоносителя.
В этом случае теплообменник
имеет две матрицы, в одной
из которых теплота от горячего
теплоносителя передается промежуточному,
а в другой – нагретый промежуточный
теплоноситель передает теплоту
холодному теплоносителю.
К особому типу
теплообменников с промежуточным
теплоносителем относится теплообменник
с тепловыми трубами, в замкнутом
объеме каждой из которых содержится
некоторое количество жидкости.
Набор параллельно расположенных
таких тепловых труб, установленных
в корпусе теплообменника, пересекается
перегородкой, с одной стороны
от перегородки образуется горячая
секция, а с другой – холодная.
Жидкость в трубках находится
на стороне горячей секции. При
омывании этой части труб горячим теплоносителем
жидкость испаряется. Образующийся пар,
заполняющий объем труб на стороне холодной
секции, отдает теплоту холодному теплоносителю
и конденсируется. Конденсат стекает на
горячую сторону трубы.
В регенераторах
одна и та же поверхность
поочередно омывается то горячим,
то холодным теплоносителем. При
прохождении горячего теплоносителя
стенки матрицы нагреваются, аккумулируя
теплоту, затем передают ее
проходящему холодному теплоносителю.
Поочередность
прохождения теплоносителей обеспечивается
либо вращением матрицы ( такие
теплообменники называют вращающимися
), либо поочередной подачей теплоносителей
при неподвижной матрице.
Во вращающемся
теплообменнике матрица на входе
и выходе разделена пластинами,
в результате чего образуются
две секции, через одну из которых
постоянно проходит горячий теплоноситель,
а через другую холодный. При
вращении матрицы нагреваемая
ее часть горячим теплоносителем
перемещается в секцию холодного
теплоносителя и передает ему
полученную теплоту. По площади
проходного сечения секции делятся
в зависимости от расхода теплоносителей
и их удельных объемов. В
пластинах со стороны матрицы
устанавливают уплотнения для
устранения или, по крайней
мере, уменьшения перетекания теплоносителей,
что особенно важно при разных
их давлениях.
При поочередной
подаче теплоносителей неподвижная
матрица также делится на две,
но равные по входной площади
секции. В каждую секцию подается
то горячий, то холодный теплоноситель.
По организации
процесса теплопередачи в регенераторах
всегда нестационарный, даже неизменных
параметрах теплоносителей на входе.
В смесительных
теплообменниках процесс теплопередачи
происходит при перемешивании
теплоносителей, поэтому эти теплообменники
называют также контактными. Если
после теплопередачи требуется
разделение теплоносителей, то одним
из них должен быть газ, а
другим жидкость, или две жидкости,
имеющие разные плотности. Смесительный
процесс теплопередачи осуществляется,
например, в градирнях, где горячая
охлаждается окружающим воздухом.
В практике наибольшее
применение получили рекуперативные
теплообменники.
3. Теплопередача
в рекуперативных теплообменниках
Характер изменения
температур горячего и холодного
теплоносителей и разность температур
между ними ( температурный напор
) по длине каналов в прямоточном, противоточном
и перекрестноточном теплообменниках.
В прямоточном
теплообменнике температурный напор
на входе максимальный. По мере
движения теплоносителей вдоль
каналов температура горячего
теплоносителя понижается, а холодного
повышается, поэтому температурный
напор от входа к выходу
уменьшается, и на выходе из
матрицы он становится минимальным.
В противоточном
теплообменнике, если считать вход
и выход по направлению
движения горячего теплоносителя,
температурный напор на входе
меньше, а на выходе больше, чем
в прямоточном теплообменнике
при условии одинаковых начальных
параметрах.
На выходе он меньше потому,
что при встречном движении холодный
теплоноситель к этой стороне
матрицы подходит уже подогретым
и его температура может быть
выше конечной температуры горячего
теплоносителя, на выходе он больше, так
как холодный теплоноситель имеет
начальную низкую температуру. В
целом температурный напор по
длине каналов при противотоке
изменяется в меньшей степени, а
средняя его величена имеет большее значение,
чем при прямом токе. Поэтому тепловая
эффективность противоточного теплообменника
выше прямоточного.
Изменение температур
и температурного напора в
перекрестноточном теплообменнике более
сложное, поскольку оно происходит как
вдоль каналов, так и в поперечном по отношению
к ним направлении.