2. Загальні принципи розрахунку теплообмінників.

З точки зору цільового призначення, розрахунки теплообмінників зазвичай діляться на прямі і перевірочні.

Метою прямого розрахунку є визначення основних параметрів і розмірів теплообмінника (кількості і діаметра труб, діаметра обєчайки кожуха, поверхні теплообміну, довжини труб, температури стінок труб і обєчайки, діаметрів вхідних і вихідних штуцерів і т.п.) за заданими параметрами теплоносіїв. При цьому, цілий ряд параметрів теплообмінників і теплоносіїв приймається за даними практики та довідкової літератури (наприклад: швидкість і теплоємність теплоносіїв, діаметр і товщина стінки труб, теплопровідність стінок труб, теплопровідність або термічний опір забруднень на стінках труб та ін.)

Метою перевірочного розрахунку є перевірка реально існуючого теплообмінника на можливість його застосування для теплообміну між заданими теплоносіями. При цьому основним розрахунковим параметром є перевірка достатності його поверхні теплообміну для заданих теплообмінників в заданих умовах.

3. Основні формули і рівняння.

1. Тепловий баланс процесу теплообміну можна виразити рівнянням:

(3.1)

або

, (3.1 ’)

де Q₁ та Q₂ - кількість тепла, відповідно, що передана гарячим і отримана холодним теплоносієм, Дж/с або Вт; Q_вт - втрати тепла в навколишнє середовище, Дж/с або Вт (звичайно приймається 3 - 5% від Q₁ або Q₂)

2. Кількість тепла, що передається через стінку від гарячого теплоносія до холодного (якщо теплоносій не змінює агрегатного стану):

,Вт (3.2)

або

,Вт (3.2 ’)

Кількість тепла, що сприймається холодним теплоносієм від гарячого:

,Вт (3.3)

або

,Вт (3.3 ’)

де G₁ або V₁ - масова (кг/с) або об'ємна (м/с) кількість гарячого теплоносія при ;

G₂ або V₂ - масова (кг/с) або об'ємна (м/с) кількість холодного теплоносія при ; с^m або с^v - середня масова (Дж/кг∙К)) або об'ємна (Дж/м³∙К) теплоємність речовини при та ; t^п і t^к - початкові та кінцеві температури теплоносіїв.

Зазвичай об'ємна кількість теплоносія дається при нормальних умовах, t = 0 p_атм = 0,1 МПа тоді перерахунок у робочі умови здійснюють по рівнянню:

,м ³/с (3.4)

або

,м ³/с (3.4’)

де V⁰ - об’єм теплоносія при нормальних умовах; p₁ або p₂ абсолютний тиск теплоносіїв, МПа;

p_н - атмосферний тиск при нормальних умовах.

3. У тих випадках, коли теплообмін між двома теплоносіями супроводжується фазовим переходом (наприклад, конденсацією, випаровуванням, розплавленням, твердненням), кількість відданого або сприйманого тепла визначається за рівнянням:

, Вт (3.5)

або

, Вт (3.5')

де r₁ або r₂ - теплота фазового переходу (наприклад, теплота конденсації пари або теплота плавлення і т.п.), Дж/кг.

4. Якщо за умовами задачі невідомо кількість одного з теплоносіїв або одна з температур, вони можуть бути визначені з рівнянь (3.2), (3.2 ’) або (3.3), (3.3 ’).

5. Середній температурний напір (рушійна сила процесу) визначається в залежності від схеми теплообміну:

а) прямоточна схема

; ;

б) проти точна схема

де ∆t_б - різниця температур теплоносіїв на тому кінці апарату, де вона має більше значення; ∆t_м - різниця температур теплоносіїв на тому кінці апарату, де вона має менше значення.

в) перехресно точна схема

∆ ,

де - поправочний коефіцієнт на перехресний ток

г) при фазовому переході

; ;

6) Коефіцієнт теплопередачі від гарячого теплоносія до холодного:

, (3.6)

де α₁ і α₂- коефіцієнти тепловіддачі, відповідно, від гарячого теплоносія до стінки і від стінки до холодного теплоносія, Вт/м²∙К; r ' і r "- термічний опір забруднень стінки, відповідно, з боку гарячого і холодного теплоносіїв, м ² ∙К/Вт; - товщина стінки, м; 𝜆 – коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки, Вт/м∙К.

7) Розрахункова поверхню теплообміну:

, (3.7)

де η>1 - коефіцієнт запасу поверхні, що враховує неточності розрахунку і різні невраховані несприятливі фактори (звичайно η = 1.05-1,2).

8) Питома теплове навантаження теплообмінника:

, м (3.8)

або

, м (3.9)

9) Температура стінок труб (середня):

-з боку гарячого теплоносія ;

-з боку холодного теплоносія ;

10) Внутрішні діаметри вхідних і вихідних штуцерів для гарячого і холодного теплоносіїв:

d= , м (3.10)

з наступним округленням до найближчої нормалізованої величини. Тут V - об'єм (м ³/с) газу або рідини, що протікають через штуцер; 𝝎- рекомендована швидкість (зазвичай для газу - 12-20 м/с, для рідини - 1-3 м/с).