Теплообменные аппараты. 
Основные понятия теплообмена

Для теплового расчета рекуперативного теплообменника используют два основных уравнения — уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи. Без учета тепловых потерь в теплообменном аппарате уравнение теплового баланса имеет вид:

.

где — количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем в единицу времени, Вт; - количество теплоты, воспринимаемое холодным теплоносителем в единицу времени, Вт. В развернутом виде уравнение теплового баланса можно записать:

а) для однофазных теплоносителей.

;

б) при изменении агрегатного состояния горячего теплоносителя (горячий теплоноситель — влажный насыщенный водяной пар).

.

где G1 и G2 — массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с; cp1 и cp2 — удельные массовые изобарные теплоемкости горячего и холодного теплоносителей, Дж/(кгК); и — температуры горячего теплоносителя на входе и выходе из теплообменника, °С; и — температуры холодного теплоносителя на входе и выходе из теплообменника, °С; x — степень сухости пара.

Расходы теплоносителей рассчитывают по уравнению неразрывности:

.

где — плотность теплоносителя, кг/м3; - средняя скорость теплоносителя, м/с; - площадь поперечного сечения канала для прохода теплоносителя, м2.

Уравнение теплового баланса для однофазных теплоносителей (102) можно записать в виде:

или ,.

где и — расходные теплоемкости (водяные эквиваленты) горячего и холодного теплоносителей, Вт/К; и — изменение температур горячего и холодного теплоносителей в теплообменном аппарате, °С.

Температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена изменяются по экспоненциальному закону. При этом из соотношений (111) следует обратно пропорциональная зависимость между водяными эквивалентами и изменениями температуры вдоль поверхности теплообмена (рис. 9):

если, то ;

если, то .

При противоточной схеме движения теплоносителей (рис. 5) выпуклость кривых изменения температуры теплоносителей направлена в сторону большого водяного эквивалента, т. е. в сторону теплоносителя с меньшим изменением температуры.

Если греющим теплоносителем является влажный или сухой насыщенный водяной пар, то в процессе теплопередачи его температура не изменяется и равна температуре насыщения при данном давлении:

.

Уравнение теплопередачи в рекуперативном теплообменном аппарате имеет вид:

.

где k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); - средняя разность температур между горячим и холодным теплоносителями (средний температурный напор), °С; F — площадь поверхности теплообмена, м2.

Среднюю разность температур для прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей рассчитывают по формулам:

если.

если ,.

где Tmax и Tmin — максимальная и минимальная разности температур теплоносителей (см. рис.9), °С; Tа — среднеарифметическая разность температур, °С; Tл — среднелогарифмическая разность температур, °С.

Для расчета средней разности температур при сложном движении теплоносителей строят температурный график для противотока и, рассчитанную по формулам (7.20) или (7.21), умножают на поправочный коэффициент, учитывающий особенности теплообмена при сложном токе. При этом студент самостоятельно принимает одну из схем перекрестного или сложного движения теплоносителей, приведенных в приложении [3] и по рисунку определяет, где комплексы P и R соответственно равны:

; .

а) W1>W2.

б) W1.

Рис. 5, а. Изменение температур горячего и холодного теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при прямоточной схеме движения в зависимости от соотношения их водяных эквивалентов.

а) W1>W2.

б) W1.

Рис. 5, б. Изменение температуры горячего и холодного теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при противоточной схеме движения в зависимости от соотношения их водяных эквивалентов.