Порядок расчета теплообменного аппарата

Конструкторский тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата проводится в следующие эта­пы:

1. Определить тепловой поток, передаваемый через рабочую поверхность теплооб­менника.

2. Определить конечную температуру горячего теплоносителя.

Для определения конечной температуры горячего теплоносителя составляется тепловой баланс исходя из условия, что тепловой поток переданный горячим теплоносителем равен тепловому потоку, полученному холодным теплоносителем. Теплопотерями в стенках теплообменника пренебрегаем.

G₁c_p1(t^’₁- t^”₁) = G₂c_p2(t^”₂- t’₂)

3. Рассчитать скорость движения горячего теплоносителя.

Величина скорости движения горячего теплоносителя рассчитывается по уравнению неразрывности:

G = ωρF, кг/с

где: ω- скорость движения теплоносителя, м/с; ρ – плотность теплоносителя, кг/м³; F – площадь сечения канала, по которому движется теплоноситель, м².

4. Определить коэффициенты теплоотдачи на внутренней и внешней поверхностях трубы, по которой движется горячий теплоноситель.

Для определения коэффициентов теплоотдачи, необходимо установить режим движения теплоносителей (ламинарный, пе­реходный, турбулентный) и выбрать соответствую­щие критериальные уравнения, решение которых по­зволит определить искомые величины - коэффициенты теплоотдачи ά₁ и ά₂.

Режим течения жидкости определяются по величине числа Рейнольдса

Re = ωd/ν,

где: d – определяющий размер- диаметр трубы, по которой движется теплоноситель, м ; ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

Если Re меньше критического Re_кр, то режим течения ламинарный. При движении жидкости в трубах Re_кр= 2*10³. Развитый турбулентный режим устанавливается при значениях Re > 1*10⁴. Диапазон изменения Re от 2*10³ до 1*10⁴ соответствует переходному режиму течения. По найденным значениям числа Рейнольдса определяется режим течения и выбираются соответствующие критериальные уравнения:

• при ламинарном режиме течения

- режим ламинарный вязкостный (GrPr < 8*10⁵)

- режим ламинарный вязкостно-гравитационный (GrPr > 8*10⁵).

• при турбулентном режиме течения

• при переходном режиме течения

Критериальные уравнения содержат критерии подобия:

- критерий Нуссельта;

- критерий Прандтля;

- критерий Грасгофа.

В уравнениях критериев подобия: g – ускорение свободного падения, м/с²; ν –кинематическая вязкость, м²/с; а- температуропроводность, м²/с; β – коэффициент расширения, 1/К; ά – коэффициент теплоотдачи, Вт/м^{2 0}С; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/м⁰С; t_ж и t_с – температура ,соответственно, набегающей жидкости и температура стенки (в расчетах принять ).

В качестве определяющей температуры (температура, при которой выбираются значения физических жидкости в критериальных уравнениях) принята: при вычислении критериев Nu, Pr, Re, Gr – температура набегающего потока, при вычислении Pr_с – средняя температура стенки.

При движении теплоносителя по кольцевому каналу теплообменника типа «труба в трубе» можно пользоваться приведенными выше критериальными уравнениями, взяв в качестве определяющего размера эквивалентный диаметр кольцевого сечения между трубами:

d_экв= 4F/П

где: F- площадь поперечного сечения потока, м²; П – смоченный периметр, м.

Отношение (Pr/Pr_с)^0,25 для газов можно принять равным 1.

Физические свойства теплоносителей приведены в приложениях 1,2,3.

Определив с помощью критериального уравнения число Нуссельта, рассчитать коэффициент теплоотдачи:

5. Определить коэффициент теплопередачи от горячего теплоносителя через стенку трубы к холодному теплоносителю k, Вт/м^{2 0}С.

где: ά₁ – коэффициент теплоотдачи на границе «горячий теплоноситель- стенка трубы», Вт/м^{2 0}С ; ά₂ – коэффициент теплоотдачи на границе «стенка трубы- нагреваемый теплоноситель», Вт/м^{2 0}С; d_вн и d_н – внутренний и внешний диаметры внутренней трубы, м; λ- коэффициент теплопроводности материала стенки трубы, Вт/м ⁰С.

6. Определить среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями и построить график изменения температур теплоносителей по длине теплообменника.

Среднелогарифмический температурный напор

для теплообменников с прямотоком

для теплообменников с противотоком

7. Определить площадь поверхности теплообменника. Площадь поверхности теплообмена определяется из уравнения теплопередачи:

Ф= кF ∆t_ср, Вт

8. Компоновка и определение габаритных размеров теп­лообменного аппарата.

Задавшись рабочей длиной секции l=1 … 4 м. определяют поверхность нагрева одной секции F_сек, а затем число секций Z по формуле:

Z = F/F_сек

где F - площадь поверхности теплообменного аппарата: F_ceк - площадь поверхности нагрева одной секции.

Знание числа секций и размеров одной секции позволяет определить габаритные размеры всего теплообменного аппара­та, путем предварительного в масштабе эскизирования теплооб­менного аппарата.