3.2.9. Розрахунок теплообмінних апаратів

Основним завданням під час розрахунку теплообмінної апаратури є визначення необхідної поверхні теплообміну за заданих витрат, початкової і кінцевої температури теплоносіїв.

Конструкції теплообмінних апаратів вибирають на основі теплових, гідрав­лічних та конструктивних розрахунків, що поєднують високі показники тепло­обміну з невисокою вартістю, надійністю, зручністю обслуговування.

Під час розрахунку трубчастих теплообмінників необхідно вибрати най­більш доцільну схему напрямку руху теплоносіїв, а також який з теплоносіїв має рухатись трубним, а який міжтрубним простором. Теплоносій з меншою витратою або з більшою в’язкістю рекомендується направляти в той простір, де його швидкість буде більшою (трубний), а також, якщо він містить тверді домішки і забруднення (для полегшення очищення поверхні теплообміну) або хімічно активні речовини і якщо він є під надлишковим тиском. Крім того, скерування гріючого теплоносія в труби зменшує втрати тепла в оточуюче середовище.

Швидкості теплоносіїв повинні бути оптимальними – поєднання інтен­сивного перенесення тепла і помірної витрати енергії з врахуванням того, що бажаний турбулентний режим руху теплоносіїв.

Тепловий розрахунок:

1. Визначення теплового навантаження і витрати теплоносіїв.

Теплове навантаження розраховують за рівнянням теплового балансу:

у разі зміни агрегатного стану:

.

Якщо витрати теплоносіїв не задані, то їх визначають з цих рівнянь, або визначають невідому температуру одного з теплоносіїв. Якщо невідомі кінцеві температури обох теплоносіїв, то ними задаються, приймаючи, що різниця між ними становить не менше ніж 3–5 С.

2. Визначення середньої різниці температур і середніх температур тепло­носіїв.

Середня різниця температур дорівнює різниці середніх температур теплоносіїв

; (3.1)

середню температуру кожного з теплоносіїв визначають

, (3.2)

де t – потокова температура теплоносія.

Можливість застосування рівняння (3.1) обмежена можливістю знати закономірності зміни температур теплоносіїв вздовж поверхні теплообміну F.

Враховуючи напрям руху теплоносіїв, їхню середню різницю температур визначають

.

У разі відношення різниці температур теплоносіїв на кінцях теплообмінника t/t<2

.

3. Визначення коефіцієнта теплопередачі і поверхні теплообміну.

Для визначення коефіцієнта теплопередачі К необхідно попередньо розрахувати коефіцієнти тепловіддачі з обох боків розділяючої середовища стінки, а також її термічний опір, на якій під час роботи апарата утворюється шар забруднень. Коефіцієнти розраховують за рівняннями, наведеними в розділі ІІ, залежно від умов проведення процесу теплообміну.

Для розрахунку α інколи необхідно знати температуру стінки або питоме теплове навантаження, значення яких залежать від визначуваного значення α. У таких випадках коефіцієнти тепловіддачі розраховують методом послідовних наближень: значеннями температури стінки і теплових навантажень задаються і, після визначення коефіцієнта теплопередачі К, перевіряють їх.

Термічний опір стінки і забруднень знаходять залежно від товщини стінки і товщини шару забруднень (за практичними даними), а також від значень коефіцієнтів теплопровідності матеріалу стінки і забруднень.

У разі перенесення тепла через плоску стінку або тонку циліндричну К визначають за рівнянням (1.114)

,

де – сума термічних опорів стінки і забруднень.

За відомим значенням К визначають поверхню теплообміну із загального рівняння теплопередачі (1.5)

.

Конструктивний розрахунок

Для кожухотрубних теплообмінників він полягає у визначенні кількості і довжини труб, розміщених у трубній решітці (з врахуванням кількості ходів) і знаходженні основних розмірів апарата (діаметра і висоти), а також діаметрів патрубків штуцерів теплообмінника.

Кількість труб n і довжина пов’язані між собою залежністю

, (3.3)

де d_р – розрахунковий діаметр труби.

За цим рівнянням визначають необхідну довжину труб і заокруглюють її до найближчої більшої величини, передбаченої стандартом або нормами.

Для визначення внутрішнього діаметра кожухотрубного теплообмінника використовують рівняння

, (3.4)

де s – крок між трубами (s = 1,2 – 1,5d_з); b = (2а – 1) – кількість труб, розміщених на діагоналі найбільшого шестикутника за шахового розміщення труб; d _з – зовнішній діаметр труби.

Діаметри патрубків штуцерів визначають з рівнянь витрати.

Конструктивний розрахунок змійовикових теплообмінників включає визначення загальної довжини, кількості витків і загальної висоти змійовика:

. (3.5)

Відстань між витками h змійовика приймають такою, що дорівнює 1,5–2 діаметрам d_зм труби змійовика, тому цією величиною можна знехтувати.

За кількості витків змійовика n загальна його довжина становить , тоді

. (3.6)

Розраховану кількість витків заокруглюють до цілого числа. Загальна висота змійовика (по осях крайніх труб)

.

Для прямих змійовиків з поверхнею теплообміну F загальна довжина змійовика

, (3.7)

де d_p – розрахунковий діаметр труби змійовика.

Кількість секцій, яку містить змійовик, розраховують за рівнянням

. (3.8)

Гідравлічний розрахунок теплообмінників

Гідравлічний опір з врахуванням втрат напору на тертя і місцеві опори (розширення, звуження потоку і його повороти між ходами) знаходять за рівнянням (3.76,б) [10]:

.