2. Теоретические основы расчета теплообменных аппаратов

2.1. Основные теоретические положения теплообмена.

Теплообмен представляет собой процесс передачи тепла из области с более высокой температурой в область с более низкой температурой. Разность температур представляет собой характерное свойство тепловой энергии, которое и предопределяет интенсивность теплообмена.

Традиционно процессы теплообмена подразделяют на три основных вида, а именно:

• теплопроводность;

• конвективный теплообмен;

• лучистый теплообмен.

В большинстве случаев при решении инженерных проблем важно знать вклад каждого из этих видов на интегральный теплообмен. При анализе задач теплообмена зачастую приходится иметь дело с двумя или тремя видами, действующими одновременно. Поэтому необходимо уметь различать каждый из них и применять в соответствии с определяющими их законами.

Тепловые расчеты при проектировании теплообменных аппаратов выполняются как с целью определения характеристик поверхности теплообмена (конструктивный расчет), так и для определения параметров теплоносителей в различных эксплуатационных режимах – стационарных и динамических (поверочный расчёт).

Основная цель конструктивного расчёта теплообменного оборудования заключается в поиске оптимальной (по размерам, конфигурации и стоимости) поверхности теплообмена, которая необходима для получения расчётной тепловой мощности аппарата при заданных конечных температурах и давлениях, а также при заданных расходах греющего и нагреваемого теплоносителей и минимальных затратах мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителей.

Цель поверочного расчёта определяется требованиями соответствующего эксплуатационного режима теплообменного аппарата (пусковой или остановочный режим, базовый или пиковый режим, необходимость работы при естественной циркуляции теплоносителей, принудительное или естественное расхолаживание, тепловые удары и обеспечение неповреждаемости в аварийных режимах).

Для определения размеров теплообменного аппарата и мощности, затрачиваемой на прокачку теплоносителей, в соответствии с выбранной конструктивной схемой необходимо:

• составить тепловой и материальный балансы обменивающихся теплом сред;

• определить имеются ли при теплообмене фазовые переходы и оценить их параметры;

• определить теплофизические свойства сред;

• рассчитать температурные напоры;

• задаться предварительными значениями коэффициентов теплопередачи;

• определить поверхность теплообмена и ее геометрические параметры;

• рассчитать коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи;

• при расхождении предварительно заданных значений коэффициентов теплопередачи от расчетных более чем на 5%, расчет коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи повторить, взяв за основу полученные в первом расчете значения. По результатам повторного расчета (второй итерации) и получении новых значений коэффициентов теплопередачи, отличных от заданных во втором приближении более чем на 5%, берут полученные во второй итерации значения коэффициентов теплопередачи и теплоотдачи за новые исходные данные и выполняют ещё один расчет (третью итерацию) и т. д.

В этом и заключается метод последовательных приближений (линейной итерации). Имеются более сложные, но и более быстрые методы итераций (метод Коши, конечно-разностный метод с расчетом по неявной схеме и т. д.), описанные в разделах по обработке статистических данных в учебниках по высшей математике.

Часто в теплообменных аппаратах, поток горячего теплоносителя отделен от холодного непроницаемой твердой стенкой (поверхностные теплообменные аппараты). Для расчета теплопередачи необходимо знать коэффициенты теплоотдачи с обеих сторон стенки и ее термическое сопротивление. В таких случаях удобно использовать коэффициент теплопередачи системы, который обобщает все процессы, участвующие в теплообмене. В этом случае передаваемое тепло [Вт] можно определить из соотношения

(1)

Коэффициент теплопередачи - это величина, обратная сумме термических сопротивлений в системе, через которую распространяется тепловой поток. Этот параметр используется в задачах, в которых терми­ческое сопротивление различных составных частей подчиняется закону аддитивности.

В реальном теплообменном оборудовании участвуют различные способы передачи тепла, поэтому такой теплообмен называется сложным и перед выбором расчетных формул необходимо определиться с возможностью упрощенной модели расчета (точность до 5%) или с важностью точных (до 0,5%) расчетов для каждой конкретной задачи.

Для многих тонкостенных оболочек, большинством из которых являются теплообменные трубы (у которых d_нар /d_вн <1,7), допускается использовать формулы теплообмена как для плоских пластин. В этом случае коэффициент теплопередачи равен:

, (2)

Большая разница в значениях термических сопротивлений, указанных слагаемыми знаменателя формулы (2), свидетельствует о том, что одно из слагаемых велико и поверхность теплообмена в целом используется не эффективно.

Правило сложного теплообмена гласит: коэффициент теплопередачи всегда меньше меньшего коэффициента теплоотдачи  или величины обратной любому термическому сопротивлению, участвующему в теплообмене .