Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называют технические устройства, в которых осуществляется процесс передачи энергии в форме теплоты от одной среды (жидкости, газа) к другой среде (жидкости, газу). Среды, обменивающиеся энергией, принято называть «теплоносителями», хотя следует четко понимать условность этого термина, так как теплота в теле содержаться не может.
Процесс подвода или отвода энергии в форме теплоты по отношению к одному из теплоносителей может преследовать различные технологические цели: нагревание (охлаждение) жидкости или газа, превращение жидкости в пар, конденсацию пара, выпаривание раствора и другие.
Теплообменные аппараты, используемые на объектах мобильной техники, в основном служат для нагревания или охлаждения жидкостей или газов (радиаторы, предпусковые подогреватели, отопители и тому подобные устройства).
По принципу действия теплообменники разделяют на:
• рекуперативные;
• регенеративные;
• смесительные.
Рекуперативными (от латинского слова recuperatio — получение вновь) называют теплообменные аппараты, в которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их твердую стенку. К ним относятся различные радиаторы: водо — и масловоздушные, водомасляные и другие аналогичные, широко используемые на колесных и гусеничных машинах.
|
Ф = ЗГГГТЗГ’ [Вт]
|
|
Пользуясь той же методикой, что и выше, находим |
Регенеративными (от латинского слова regeneranio — возобновление) называют теплообменные аппараты, в которых горячий теплоноситель в течение некоторого промежутка времени соприкасается с твердым телом (керамической или металлической насадкой) и отдает ему теплоту; в
последующий период с твердым телом соприкасается * холодный» теплоноситель, который и воспринимает теплоту, аккумулированную насадкой. Регенеративные теплообменники применяются в двигателях Стирлинга, в газотурбинных двигателях в качестве теплообменников[62] и других устройствах.
Смесительными называют теплообменные аппараты, в которых передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется при их непосредственном соприкосновении и сопровождается полным или частичным обменом вещества. Такие аппараты используют, например, для охлаждения или нагревания газа с помощью воды или охлаждения воды воздухом, при кондиционировании воздуха. Характерным примером подобного варианта понижения температуры газа являются охладители наддувочного воздуха испарительного типа в комбинированных ДВС.
Несмотря на разнообразие конструкций и областей применения, в принципе во всех теплообменных аппаратах осуществляется один и тот же процесс — передача энергии в форме теплоты от более нагретого теплоносителя к менее нагретому, поэтому основные положения теплового расчета теплообменников остаются общими.
При подборе теплообменников обычно требуется решить две задачи:
1. Провести конструктивный расчет, когда известны параметры теплоносителей (или количество передаваемой теплоты). В этом случае, выбрав предварительно конструкцию теплообменника, определяют величину площади теплообмена.
2. Провести проверочный расчет, когда известны поверхность теплообмена, конструкция аппарата и частично параметры теплоносителей на входе в теплообменник. Расчетом находят неизвестные параметры (например, параметры на выходе, расход теплоносителей и другие).
В обоих случаях основными расчетными уравнениями служат:
• уравнение энергетического (теплового) баланса
Ф = GlCl(T{ — Т*’) = G2C2(r2" — Г2′). (14.49)
• уравнение теплопередачи
Ф = ад-Г2). (14.50)
В уравнениях (14.49) и (14.50) индекс 1 означает, что величина относится к горячей среде, а индекс 2— к холодной. Температура на входе обозначена одним штрихом, на выходе — двумя. Величина G — массовый расход.
Формулы (14.48) и (14.50) предполагают, что в любой точке теплооб — менного аппарата температура теплоносителей не изменяется. На самом деле в теплообменниках горячая среда охлаждается, а холодная нагревается, в связи с чем разница температур теплоносителей, называемая температурным напором Д Т, уменьшается. Изменяется также величина коэффициента теплопередачи. По этой причине уравнение теплопередачи (14.50) можно применить лишь в дифференциальной форме к элементу поверхности dSii
6Ф = ki-ATi-dSi,
А общий тепловой поток, прошедший через всю поверхность 5, определяется интегралом
Ф= [ ki • ATi • dS = Кср • ДТср5,
*ср ср[63]— F
Где кср — среднее для всей поверхности значение коэффициента теплопередачи, обычно принимаемое в виде к = {к\ + к2)/2; ДТср — средний температурный напор.
Если температура вдоль поверхности нагрева изменяется незначительно, используется среднеарифметический температурный напор
ДТср = 0.5(ДГ’-ДГ"),
Где AT’ — больший температурный напор; AT" — меньший температурный напор.
При значительном изменении температуры вдоль поверхности нагрева используют среднелогарифмическое значение температурного напора
АТ’-АТ" . дт’
In—77
Дт"
Для упрощения записей и рассуждений в тепловых расчетах теплообменников часто вводят понятие так называемого водяного эквивалента Теплоносителя W. Под ним понимают количество воды, эквивалентное по
Теплоемкости секундному расходу рассматриваемого теплоносителя
[&]•
С учетом водяного эквивалента уравнение теплового баланса (14.49) преобразуется к виду
WX(T[ — Т[‘) = W2(T2" — Г2′),
Откуда
("-5i)
Как видно, отношение водяных эквивалентов теплоносителей обратно пропорционально отношению изменения их температур в теплообменном аппарате.
Характер изменения температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена зависит от схемы их движения и соотношения водяных эквивалентов. Различают три основные схемы движения теплоносителей (рис. 14.12):
• прямоток — оба теплоносителя движутся параллельно и в одном направлении (рис. 14.12, а);
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 14.13. Характер изменения температуры теплоносителей |
|
5 5 |
Рис. 14.12. Схемы движения теплоносителей в теплообменных аппаратах
Температуре горячего теплоносителя). Следовательно, теплообменник с противотоком получается компактнее, чем аппарат с прямотоком.
Эффективность теплообменных аппаратов обычно оценивают с помощью коэффициента полезного действия и коэффициента удержания теплоты.
Коэффициент полезного действия теплообменника представляет собой отношение количества энергии, полученной холодным теплоносителем в форме теплоты (Q2)> к количеству теплоты, которое горячий теплоноситель мог передать холодному (Qr):
(14.52)
Коэффициент удержания теплоты учитывает потери теплоты в окружающую среду. Он представляет собой отношение количества энергии, полученной холодным теплоносителем в форме теплоты, к количеству энергии, отданной в форме теплоты горячим теплоносителем:
Е = |. (14.53)
Так как
QI = Q2 + Q„,
Где Q„ — теплопотери в окружающую среду, то выражение (14.53) можно представить в виде
& = 1 Qi + Qn 1 +
42
Величина е зависит от конструкции теплообменного аппарата и качества тепловой изоляции.
В тех случаях, когда нагревание среды производится с целью получения от нее работы, эффективность теплообменного аппарата следует оценивать с помощью его эксергетического КПД
= (14.54)
Где Ехг — количество эксергии, которым обладал горячий теплоноситель на входе в теплообменник; Ех2 — количество эксергии, полученное холодным теплоносителем от горячего.