Материал: teplo_2012

Вконтактных теплообменных аппаратах передача теплоты происходит при непосредственном контакте двух теплоносителей: горячего и холодного. При этом теплообмен может сопровождаться массообменом. Контактные теплообменники подразделяются на смесительные и барботажные.

Ваппаратах смесительного типа нагретые и менее нагретые теплоносители перемешиваются и образуют растворы или смеси.

Ваппаратах барботажного типа более нагретый теплоноситель прокачивается через массу менее нагретого, или наоборот, при этом теплоносители не смешиваются.

Вповерхностных теплообменниках оба теплоносителя отделены один от другого твердой стенкой или поочередно контактируют с одной и той же стенкой, которая участвует в процессе теплообмена и образует так называемую поверхность теплообмена.

Поверхностные теплообменники разделяются на рекуперативные и регенеративные.

Врекуперативных аппаратах процессы теплообмена обычно стационарные: одна сторона поверхности теплообмена все время омывается горячим теплоносителем, а другая сторона – холодным. Тепло от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку из теплопроводного материала. Направление теплового потока в стенке остается неизменным.

Врегенеративных аппаратах одна и та же поверхность теплообмена попеременно омывается то одним, то другим теплоносителем. При контакте с первичным теплоносителем в стенках аккумулируется тепло, которое в период охлаждения отдается вторичному теплоносителю. Направление теплового потока в стенках периодически меняется.

Наибольшее распространение в авиации и других областях техники получили рекуперативные теплообменники. Они могут быть классифицированы по следующим признакам:

1)по роду теплоносителей в зависимости от их агрегатного состояния

147

(рис. 5.1);

2)по конфигурации поверхности теплообмена: трубчатые аппараты с прямыми трубками, с U-образным трубным пучком, пластинчатые, змеевиковые, ребристые;

3)по компоновке поверхности нагрева: тип «труба в трубе»; кожухотрубчатые аппараты; оросительные аппараты (не имеющие ограничивающего корпуса).

Рекуперативные теплообменники

Рис. 5.1. Классификация ТА по агрегатному состоянию теплоносителей

Все ТА поверхностного типа можно классифицировать по виду взаимного направления потоков теплоносителей:

1)прямоточные (прямотоки), когда оба теплоносителя движутся параллельно в одном направлении (см. рис. 1.6, а);

2)противоточные (противоток), когда оба теплоносителя движутся в противоположных направлениях (см. рис. 1.6, б);

3)с перекрестным током – теплоносители движутся во взаимноперпендикулярных направлениях. Перекрестный ток может быть однократным (см. рис. 1.6, в) и многократным (см. рис. 1.6, д);

4)с более сложными схемами различного сочетания прямотока, противотока и перекрестного тока (см. рис. 1.6, е, ж).

К рекуперативным теплообменникам можно отнести также теплообменники с промежуточным теплоносителем. В теплообменниках с принудительной циркуляцией промежуточного теплоносителя имеется замкнутый контур, через который насосом прокачивается жидкость. Часть этого контура расположена в зоне горячего теплоносителя, часть – в зоне холодного. Эти

148

зоны могут находиться на некотором расстоянии одна от другой. Разновидностью теплообменника с промежуточным теплоносителем

является теплообменник на тепловых трубах, представляющий собой пучок тепловых труб, разделенных герметичной перегородкой на горячую и холодную зоны теплообменника (рис. 5.2). В отличие от обычного теплообменника, промежуточный теплоноситель в нем изменяет фазовое состояние (процессы испарения и конденсации). Роль насоса здесь выполняют капиллярная структура либо силы гравитации.

Рис. 5.2. Тепловая труба: 1 - тонкостенный металлический сосуд; 2 – капиллярно-пористый материал – фитиль; 3 – внутренний объём, свобод-

ный от фитиля, является паровым каналом

5.2. Основные положения теплового расчета

Рассмотрим изменение температуры первичного (горячего) и вторичного (холодного) теплоносителей в теплообменном аппарате рекуперативного типа (рис. 5.3). За начало координат принято сечение, через которое втекает теплоотдающая жидкость. По оси абсцисс отложена длина трубы или поверхность теплопередачи F, а по оси ординат – температуры жидкостей; индексами 1 и 2 отмечаются температуры и другие параметры соответственно горячего и холодного теплоносителя. Параметры теплоносителей на входе и

149

выходе из теплообменного аппарата отмечаются одним и двумя штрихами.

Рис. 5.3. Изменение температуры теплоносителей в рекуперативном ТА:

а– при прямоточном движении теплоносителей без фазовых превращений;

б– при противоточном движении теплоносителей без фазовых превращений

При прямотоке (см. рис. 5.3, а) на входе в теплообменный аппарат разность температур между жидкостями имеет наибольшее значение. При движении жидкостей в теплообменном аппарате разность температур между ними быстро уменьшается, так как жидкости движутся в одном направлении. Температура теплоотдающей жидкости понижается, а температура тепловоспринимающей жидкости увеличивается.

При прямотоке температура тепловоспринимающей жидкости не может подняться выше температуры теплоотдающей жидкости на выходе из теплообменного аппарата.

При противотоке (см. рис. 5.3, б) температура охлаждаемой жидкости в теплообменном аппарате понижается более интенсивно, так как горячая жидкость встречает все более и более холодную охлаждающую жидкость, поэтому при противотоке можно нагреть охлаждающую (тепловоспринимающую) жидкость выше температуры выходящей охлаждаемой (теплоотдающей) жидкости, т.е. в этом случае возможно t2′′ >> t1′′.

Разность температур между обеими теплообменивающимися жидкостями не изменяется очень резко, как это наблюдается при прямотоке. Среднее значение температурного напора

150