3. Тепловой и конструкционный расчет теплообменного аппарата
Теплообменные аппараты или теплообменники (ТО) - устройства для передачи теплоты от одних сред (горячих теплоносителей) к другим (холодным теплоносителям). По способу передачи теплоты различают ТО:
- рекуперативные. Теплота передаётся через твердую стенку;
- смесительные. В них теплоносители контактируют смешиваясь;
- регенеративные. Теплоносители (горячий и холодный) контактируют с твердой стенкой поочередно.
Соответственно своему назначению ТО называются подогревателями, холодильниками, испарителями, экономайзерами, конденсаторами и т.п. Кроме того, рекуперативные ТО классифицируются по взаимному направлению теплоносителей (прямоток, противоток, смешанный ток и т.д.), по материалу поверхности теплообмена, по числу ходов и т.д. (рис. 10).
Рис.10. Схемы рекуперативных аппаратов: а – типа «труба в трубе», прямоток; б – кожухотрубный, противоток; в, г, д – многократный перекрестный ток; е и ж – трубчатый и пластинчато-ребристый перекрестный ток; 1 – горячий поток; 2 – холодный поток
3.1. Тепловой расчет теплообменных аппаратов
Тепловой расчет ТО основан на уравнении теплового баланса и соотношении расходных теплоемкостей (водяных эквивалентов) теплоносителей. Порядок расчёта:
1. Определяется тепловая нагрузка ТО (мощность теплового потока:
,
Вт,
где
–
массовый расход горячего теплоносителя
(задан в табл. 3), кг/с;
- удельная (средняя) изобарная теплоёмкость
горячего теплоносителя при температуре
,
Дж/(кг∙°C);
,
– температуры горячего теплоносителя
на входе в ТО и на выходе из него, °C (из
табл. 3).
2. Определяется среднелогарифмический температурный напор при прямотоке и при противотоке по формуле:
,
°C,
где
- температурные напоры на входе в ТО и
на выходе из него, °C.
При прямотоке
,
,
при противотоке
,
.
Строятся графики температур для обеих схем движения (рис. 11). На графиках показывается стрелкой направление движения теплоносителя.
Рис. 11. Изменение температур теплоносителей
в теплообменном аппарате при различных схемах движения
3. Определяется площадь F поверхности теплообмена при прямотоке и при противотоке по формуле:
,
м2,
где
- коэффициент теплопередачи от газов
(пара) к воде (задан в табл. 3), Вт/(м2∙К).
4. Сравнивается интенсивность теплопередачи при прямотоке и при противотоке. В общем случае интенсивность теплопередачи характеризуется (средним) коэффициентом теплопередачи
,
Вт/(м2∙K),
где
- тепловой поток (Вт) сквозь поверхность
площадью
(м2)
при температурном напоре
(град.).
Преобразуем эту формулу к виду:
.
Площадь
теплообмена
рассчитывается для обеих схем движения
теплоносителей при одинаковых значениях
величин
и
,
поэтому одинаковыми оказываются
произведения
.
Из этого следует: чем больший температурный
напор создан в теплообменнике, тем
меньше может быть поверхность теплообмена
при той же тепловой нагрузке.
Так
как площадь теплообмена при прямотоке
больше
площади теплообмена при противотоке
,
то отношение
и, значит, схема противотока эффективнее!
Таблица 3. Данные для теплового расчета газоводяного теплообменника
Последняя цифра шифра |
°C |
°C |
°C |
°C |
Предпоследняя цифра шифра |
G, кг/с |
K, Вт/(м2∙К) |
0 |
300 |
150 |
10 |
80 |
0 |
0,14 |
30 |
1 |
325 |
175 |
15 |
90 |
1 |
0,13 |
32 |
2 |
350 |
200 |
20 |
100 |
2 |
0,12 |
34 |
3 |
375 |
225 |
25 |
110 |
3 |
0,11 |
36 |
4 |
400 |
250 |
30 |
120 |
4 |
0,10 |
38 |
5 |
425 |
275 |
25 |
130 |
5 |
0,09 |
40 |
6 |
450 |
300 |
20 |
140 |
6 |
0,08 |
42 |
7 |
475 |
325 |
35 |
130 |
7 |
0,07 |
44 |
8 |
500 |
350 |
10 |
120 |
8 |
0,06 |
35 |
9 |
525 |
375 |
20 |
110 |
9 |
0,05 |
48 |
,
,
,
,