Основные виды теплообменных аппаратов

По принципу действия теплообменники подразделяют на три вида: рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители омывают стенку с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. Процесс теплообмена протекает непрерывно и имеет обычно стационарный характер. На рис. 4.1 показан пример рекуперативного теплообменника, в котором один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.

Рис. 4.1 Рис. 4.2

Стенка, которая омывается с обеих сторон теплоносителями, называется рабочей поверхностью теплообменника.

Рекуперативные теплообменники подразделяют в зависимости от направления движения теплоносителей (рис. 4.2). Если теплоносители движутся параллельно в одинаковом направлении, теплообменник называют прямоточным (рис. 4.2, а), при противоположном направлении движения – противоточным (рис. 4.2, б). В теплообменники с перекрёстным током теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, при этом возможен однократный (рис. 4.2, в) и многократный (рис. 4.2, г) перекрёстный ток. Встречаются и более сложные схемы движения теплоносителей (рис. 4.2 д и е).

Конструктивно рекуперативные теплообменники могут выполняться с трубчатыми и с пластинчатыми рабочими поверхностями. Пример трубчатого теплообменника показан на рис. 4.1. В пластинчатом теплообменнике рабочая поверхность образована набором параллельных плоских пластин. Каналы между пластинами объединены через один общими коллекторами и образуют, таким образом, полости для каждого из теплоносителей.

Возможны также теплообменники с рабочей поверхностью в виде вращающейся трубы. В таких аппаратах можно получить значительное увеличение коэффициента теплопередачи.

Рекуперативные теплообменники, предназначенные для утилизации теплоты в газотурбинных установках, называют регенераторами; теплообменники для рассеивания теплоты горячей воды в окружающее пространство (например, в системе охлаждения автомобильного двигателя) называют радиаторами. Назначением определяются также названия: воздухоподогреватели, маслоохладители, пароперегреватели и т.п.

В регенеративном теплообменнике одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При соприкосновении с горячим теплоносителем стенка аккумулирует теплоту, а затем отдает ее холодному теплоносителю. Для удовлетворительной работы теплообменника его рабочие стенки должны обладать значительной теплоемкостью.

Характерная особенность регенеративного теплообменника – нестационарный режим теплообмена. Чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периода нагрева и охлаждения, такой теплообменник должен иметь две параллельно работающие секции.

Внутренняя полость теплообменника заполняется насадкой, которая делается из кирпича, металла или другого материала.

В смесительных теплообменниках процесс теплообмена сопровождается перемешиванием теплоносителей, т.е. они непосредственно соприкасаются друг с другом. Поэтому смесительные теплообменники называются также контактными. Процесс теплообмена в таком аппарате имеет стационарный характер и сопровождается испарением жидкости.

Смесительный теплообменник целесообразно использовать для таких теплоносителей, которые легко разделить после теплообменного аппарата. Например, такой парой теплоносителей является вода и воздух.

Наиболее важным фактором в рабочем процессе смесительного теплообменного аппарата является величина поверхности соприкосновения теплоносителей, которая зависит от степени дробления жидкости.

Для увеличения поверхности теплообмена на пути движения теплоносителей можно разместить насадку, которая представляет собой слой кускового материала (например, куски керамики, кокса и т.п.), или деревянные решетки. Плёнка жидкости на поверхности насадки представляет собой дополнительную поверхность контакта, которая иногда может быть основной поверхностью теплообмена.

Из трёх рассмотренных выше видов теплообменников наиболее широкое применение находят рекуперативные теплообменники.

Рис. 4.3. Схема лабораторной установки (теплообменник с перекрёстным током):

1 – вентилятор; 2 – корпус воздуховода; 3 – теплообменник; 4 – анемометр; 5 – расходный бак; 6 – вентиль; 7 – расходомер; 8 – приёмники и указатели температур воды; 9 – приёмники и указатели температур воздуха

Объект испытания

Жидкостно – воздушный радиатор

Измерительная аппаратура

Анемометр, барометр, приёмники температур, указатели температур

Условия эксперимента (исходные данные):

Атмосферное давление p=

Температура воздуха t °C=

Таблица 4.1

Результаты измерений и вычислений:

Примечание: индексами 1 и 2 отмечены температуры горячего и холодного теплоносителя. Одним и двумя штрихами отмечены температуры теплоносителя на входе и выходе из теплообменного аппарата.

Расчётные данные и вычисления

Для выполнения расчетов и вычислений заменим схему теплообменника с перекрестным током на противоточную схему

1. Определяем среднелогарифмический температурный напор для противоточной схемы движения теплоносителей по формуле:

2. Средний температурный напор для теплообменника с перекрёстным током определяется по формуле:

где ε _{Δ t} – поправка, которая зависит от двух вспомогательных величин [ ε _{Δ t} = f (R, P)]

Из справочной литературы для значений P = и R = находим ε _{Δ t} = и окончательно получаем:

Δ t = Δ t · ε _{Δ t} =

3. Определяем расход воздуха:

4. Определяем количество тепла воспринятого воздухом:

5. Из уравнения теплового баланса определяем коэффициент теплопередачи:

Выводы по работе:

Работу выполнил: Работа зачтена:

«___» ___________ ________ «___»______________ ________

(дата, подпись студента) (дата, подпись преподавателя)

Поиск по сайту: