Теплообменники. Промышленная теплоэнергетика

1. Промышленная теплоэнергетика

Теплообменники

2. Характеристика теплообменных устройств

Утилизацию теплоты отходящих газов с
возвратом их в печь можно
осуществить в теплообменных
устройствах регенеративного и
рекуперативного типов.
Регенеративные теплообменники
работают при нестационарном
состоянии, рекуперативные — при
стационарном.

3. Классификация теплообменников.

Теплообменники - устройства, предназначенные для
передачи теплоты от одного теплоносителя к
другому.
Теплообменники классифицируют:
1. По принципу действия:
поверхностные;
смесительные.

4. Классификация теплообменников

В поверхностных теплообменниках в передаче теплоты
участвует поверхность твердого тела.
В смесительных теплообменниках теплоносители
непосредственно контактируют друг с другом.
Поверхностные теплообменники подразделяют на
рекуперативные и регенеративные.
В рекуперативных теплообменниках теплота от одного носителя
к другому передается через разделяющую их стенку.
В регенеративных теплообменниках вначале с горячим
теплоносителем контактирует твердое тело, которое
принимает от него теплоту, при этом нагреваясь, затем это
тело вступает в контакт с холодным теплоносителем и отдает
ему полученную теплоту.

5. Классификация теплообменников

Пример смесительного теплообменника - градирня.
1 - технологический агрегат подведения
воды;
3
2 - конденсатор;
4
3, 8 - насосы;
2
4 - брызгальный
коллектор;
1
5 - шахта;
8
6 - окна для поступления
холодного воздуха;
7 - брызгальный бассейн.
5
6
7

6. Классификация теплообменников

2. По технологическому назначению:
водонагреватели;
пароперегреватели;
парогенераторы;
деаэраторы (служат для удаления
воздуха из теплоносителя).

7. Классификация теплообменников

3. По роду теплоносителей:
водоводяные;
пароводяные;
масловоздушные.

8. Классификация теплообменников

4. По материалам стенки:
стальные;
чугунные;
медные;
керамические;
графитовые и т.д.

9. Классификация теплообменников

5. По режиму работы:
непрерывного действия;
периодического действия.
6. По возможности секционной сборки:
цельные;
секционные.

10. Классификация теплообменников

7. По форме рабочих поверхностей:
гладкотрубные;
пластичные;
оребренные;
ошипованные.
8. По числу ходов движения
теплоносителя:
одноходовые;
многоходовые.

11. Классификация теплообменников

9. По схеме движения теплоносителей:
прямоточные;
противоточные;
с перекрестным током;
многократно с перекрестным током;
смешанные.

12. Классификация теплообменников

10. По конструктивному оформлению:
теплообменник типа «труба к трубе»;

13. Классификация теплообменников

кожухотрубный;

14. Расчет рекуперативных теплообменников

Расчет включает в себя: расчет на прочность,
гидравлический или аэродинамический расчет,
экономический расчет, тепловой расчет.
Основные расчетные зависимости при тепловом
расчете
Тепловой расчет бывает двух видов:
• Конструкторский (проектный) - определяют
площадь теплообмена;
• технологический (поверочный) - определяют
температуру теплоносителей и режим их движения.

15. Расчет рекуперативных теплообменников

При любом тепловом расчете
применяют два уравнения:
уравнение теплопередачи;
Уравнение теплового баланса.

16. Расчет рекуперативных теплообменников

Уравнение теплопередачи:
Q κ F, Вт
Q - тепловой поток, передаваемый от
горячего теплоносителя к холодному;
к - коэффициент теплопередачи;
ΔТ - перепад температур между горячим и
холодным теплоносителями;
F - площадь теплообмена.
(1)

17. Расчет рекуперативных теплообменников

Уравнение теплового баланса:
Q1 Q2 Q, Вт
(2)
Q1 - тепловой поток, отдаваемый горячим
теплоносителем;
Q2 - тепловой поток, воспринимаемый
холодным теплоносителем;
ΔQ - потери теплоты в окружающую среду
Q1 с1 1 G 1 1 1 , Вт
(3)
(4)
Q с G , Вт
2
2
2
2
2
2

18. Расчет рекуперативных теплообменников

Здесь:
с, Дж/(кгК) - удельная массовая теплоемкость;
p, кг/м3 -плотность;
G, м3/с - расход теплоносителя;
1 - горячий теплоноситель;
2 - холодный теплоноситель;
' - вход в теплообменник;
" - выход из теплообменника.

19. Расчет рекуперативных теплообменников

Обозначим:
водяные эквиваленты
теплоносителей:
W1 c1 1G1
(5)
W2 c 2 2 G 2
степень нагрева теплоносителя:
1 1 1
(6)
2 2 2

20. Расчет рекуперативных теплообменников

Пусть ΔQ=0, тогда уравнение (2) с
учетом уравнений (3)-(6) примет вид;
W1 1 W2 2
1 W2
2 W1
т.е. степень нагрева теплоносителей
обратно пропорциональна их
водяным эквивалентам.

21. Расчет рекуперативных теплообменников

Анализ изменения температуры теплоносителей при
рекуперативном теплообменнике.
Для прямоточных теплообменников:
W 1< W 2
Т
Т´
1
Т 1´
Т1
Т1
Т 1́ ´
ΔТ
Т 1́ ´
ΔТ
W 1>W 2
Т
Т´´
2
Т´´
2
Т´
2
Т´
2
Т2
F0
F
Т2
F0
F

22. Расчет рекуперативных теплообменников

Для противоточных теплообменников:
W 1< W 2
Т
Т´
1
´´
Т2
Т 1´
Т1
Т1
Т 1́ ´
Т 2́´
Т 1́ ´
ΔТ
W 1>W 2
Т
ΔТ
Т2´
Т2
Т´
2
Т2
F0
F
F0
F

23. Расчет рекуперативных теплообменников

Из рассмотренных графиков следует:
В прямоточных теплообменниках на выходе
температура горячего теплоносителя
больше температуры холодного Т1" > Т2". В
противоточных теплообменниках это
условие может не выполняться.
Противоточные теплообменники являются
более компактными и эффективными по
сравнению с прямоточными.

24. Расчет рекуперативных теплообменников

Расчет среднего температурного напора
dQ1 W1d 1
dQ 2 W2 d 2
1
d 1
dQ1
W1
1
d 2
dQ 2
W2
(1)
(2)
(3)

25. Расчет рекуперативных теплообменников

Обозначим: dQ = dQ2 = - dQ1
Из уравнения (3) получим:
1
1
d 1 2
dQ
W1 W2
(4)

26. Расчет рекуперативных теплообменников

Обозначим:
1
1
m
,
W1 W2
1 2 ,
Пусть:
dQ 1 2 dF

27. Расчет рекуперативных теплообменников

Тогда уравнение (4) примет вид:
d m dF
(5)
Проинтегрируем:
F
d
0
m dF
0
d
F
m dF
0
(6)
(7)

28. Расчет рекуперативных теплообменников

Из уравнений (6) и (7) получим:
ln
m F
0
ln
m F
m F
0
e
m
F
e
(8)
(9)
(10)
(11)

29. Расчет рекуперативных теплообменников

Из уравнения (8) -(11) получим:
F
ΔΤ 0 mκF0
ΔΤ
dF
e
F 0
0
m F0 (12)
1
e
F m
ln
0

30. Расчет рекуперативных теплообменников

Уравнение (12) справедливо только для прямотока. Можно
доказать, что для прямотока и противотока справедлива
обобщенная формула:
ln
где
,
напор
м
м
м
- наибольший и наименьший температурный

31. Расчет рекуперативных теплообменников

Расчет среднего коэффициента теплопередачи.
В том случае, когда нельзя пренебрегать изменением
коэффициента теплопередачи вдоль площади
теплообмена F теплообменник условно разбивают
на измерительные секции. В пределах каждой
секции коэффициент теплопередачи считают
условно постоянной величиной. Тогда средний по
теплообменнику коэффициент теплопередачи
определяют по формуле:

32. Расчет рекуперативных теплообменников

F F
11
2 2
F F
1 2
1 n
F
F i 1 i i
0
F
n n
F
n
i - номер измерительной секции; F0 суммарная площадь теплообменника.