2. Тепловой расчет теплообменников и порядок проектирования то поверхностного типа

Различают два вида теплового расчета ТО: конструктивный и проверочный.

Конструктивный тепловой расчет проводят при проектировании ТО. Перед проведением расчета задаются конструкцией теплообменника. Цель расчета - определить поверхность нагрева и конструктивные размеры ТО по величине заданной мощности, виду ТН и их начальным и конечным температурам.

Проверочный расчет применяют при необходимости оценить работу той или иной конструкции в условиях, отличных от расчетных. По конструктивным размерам ТО, свойствам ТН и их начальным параметрам определяют их конечные параметры и тепловую мощность теплообменника.

1. Проводят конструктивный расчет ТО и увязывают результаты расчета с конструктивными размерами.

2. Рассчитывают гидравлическое сопротивление аппарата.

3. Выбирают тип и марку насоса или вентилятора.

4. Проводят расчет аппарата на прочность.

5. При необходимости выполняют технико-экономическое обоснование, суть которого сводится к определению оптимальных скоростей движения ТН

Рис. 1. Конструкции трубчатых теплообменников.

а - кожухо-трубчатый однозаходный: 1 - вход первичного ТН;

2 - трубная доска; 3 - набор труб; 4 - кожух; 5 - вход вторичного ТН; 6 - выход первичного ТН; 7 - линзовый компенсатор; 8 - выход вторичного ТН;

б- кожухо-трубный двухзаходный;

в - трубчатый «труба в трубе».

С увеличением скорости, с одной стороны, увеличивается коэффициент теплоотдачи и тепловая мощность ТО, с другой стороны, увеличивается гидравлическое сопротивление, что приводит к увеличению расхода электроэнергии на привод насоса или вентилятора.

3. Методика конструктивного теплового расчета то

Расчет ТО заключается в совместном решении уравнений теплового баланса ТН, определяющих тепловую нагрузку ТО, и уравнения теплопередачи.

Q = G₁C₁(T₁ - Т₂) - для первичного ТН;

Q = G₂C₂ (t₁ -t₂) - для вторичного ТН;

Q = KF t - уравнение теплопередачи.

В том случае, если один или оба ТН изменяют в процессе теплопередачи свое агрегатное состояние, уравнения теплового баланса примут вид: Q = D(i₁ -i₂), где G₁, G₂, D - расходы, соответственно первичного, вторичного и ТН, изменяющего свое агрегатное состояние, кг/с;

C₁, С₂- теплоемкости ТН, кДж/кг°С;

T₁, t₁ - начальная температура первичного и вторичного ТН, °С;

Т₂, t₂ - конечные температуры первичного и вторичного ТН, °С;

i₁, i₂- начальная и конечная энтальпия теплоносителей, кДж/кг;

t - перепад температур ТН, °С;

Из уравнений теплового баланса определяют расходы ТН, а из уравнения теплопередачи - площадь поверхности теплообмена. По величине площади теплообмена можно рассчитать число труб или пластин.

Для трубчатого ТО : F = d_cpLnZ, м²,

где d_cp- средний диаметр трубок ТО, м;

L - длина трубок, м;

n - число трубок в одном ходе, шт.;

Z - число ходов ТО, шт.

Для пластинчатого ТО : F = abn

a, b - ширина и высота пластины, м;

n - число пластин

Для определения площади теплообмена необходимо определить перепад температур ТН на ТО и коэффициент теплопередачи. Перепад температур на ТО в общем виде опреде-

ляется по формуле:

(1)

где t_б, t_м - температурный напор (разность температур обоих ТН) на том конце ТО где он, соответственно больше или меньше.

Формула (1) имеет частные случаи:

- для противотока;

- для прямотока,

где T₁, t₁, - начальные температуры первичного и вторичного ТН, С;

Т₂, t₂- конечные температуры первичного и вторичного ТН.

В ТО противоток имеет ряд преимуществ и его следует применять во всех случаях, когда этому не препятствуют технологические или иные факторы.

При прямотоке конечная температура вторичного, нагреваемого ТН, не может быть выше конечной температуры первичного ТН, в то время, как противоток не имеет такого ограничения, что позволяет в большей степени использовать энтальпию (теплосодержание) первичного ТН.

При перекрестном токе и других более сложных схемах движения ТН перепад температур определяют по формуле:

t = t_прот, (2 ) t_прот - перепад температур при противотоке, °С ;

 - поправочный коэффициент, определяемый для каждой конкретной схемы в справочной литературе.

Изменение температуры вдоль поверхности теплообмена зависит от водяных эквивалентов ТН. Водяным эквивалентом некоторого количества теплоносителя М с удельной теплоемкостью С называется количество теплоты, необходимое для увеличения его температуры на 1 °С:

W_e=МС,Дж/°С. (3)

Коэффициент теплопередачи определяют по формуле:

, Вт/м^{2 0}C (4)

где ₁, ₂ - теплоотдача первичного и вторичного ТН, Вт/м² °С;

_ст - толщина стенки, м;

_ст, - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/м °С;

R₃ - термическое сопротивление загрязнения стенки, м² °С/Вт.