7. Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Теплообменники – это устройства, в которых теплота переходит от одной среды к другой.

Теплообменники очень широко используются в технике – получение пара, конденсата и т.д.

По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на:

1. рекуперативные – это такие теплообменные аппараты, в которых теплообмен между текущими средами с разной температурой происходит через разделительную стенку за счет конвекции в текущих средах, теплопроводности стенки и частично излучением; работают в основном в стационарном режиме;

2. регенеративные – это теплообменники, в которых одна и та же поверхность через определенное время омывается то горячей, то холодной жидкостью, т.е. в регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях. Так работают воздухонагреватели мартеновских и доменных печей, иногда воздухонагреватели котельных установок;

3. смесительные – теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной среды. Например, в градирнях вода охлаждается атмосферным воздухом;

4. теплообменники с внутренним источником энергии – применяют обычно один теплоноситель. Примером может служить ядерный реактор, электронагреватели и т.д.

7.1 Основные положения и уравнения теплового расчета

Тепловые расчеты теплообменных аппаратов могут быть проектными и поверочными.

Проектные или конструктивные тепловые расчеты выполняются при проектировании новых аппаратов. Цель расчета – определение поверхности нагрева.

Поверочные расчеты выполняются в случае, если поверхность нагрева известна и требуется определить количество переданной теплоты и конечные температуры рабочих сред.

Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному решению двух уравнений:

1. уравнение теплового баланса;

2. уравнение теплопередачи.

Уравнение теплового баланса

В результате теплообмена изменяется энтальпия горячего теплоносителя:

.

Это количество теплоты передается холодному теплоносителю:

,

где и- массовые расходы теплоносителей, причем,.

Т.е. мы можем записать:

,

где - энтальпия первого теплоносителя на входе;

- энтальпия первого теплоносителя на выходе;

- энтальпия второго теплоносителя на выходе;

- энтальпия второго теплоносителя на входе.

Считая, что в рассматриваемом диапазоне температур величина теплоемкости и, можно записать:

.

- в практических расчетах подставляется среднее значение в интервале температур отдо.

При расчете теплообменных аппаратов пользуются понятием водяного эквивалента С:

,

и тогда:

.

Уравнение теплопередачи

Чаще всего используется для определения поверхности нагрева или для определения количества отданной теплоты.

- частный случай уравнения теплопередачи, если и-const.

В общем случае иизменяются вдоль поверхности, поэтому изменяется и коэффициент теплопередачи. Поэтому значениеиможно принять постоянными только в пределах элементарной площадки:

.

Общий тепловой поток:

.

Однако в большинстве расчетов коэффициент можно принять величиной постоянной. А если он изменяется по поверхности, то его усредняют:

.

В этом случае уравнение теплопередачи примет следующий вид:

.

Величина поверхности теплообмена:

.

Т.е. задача в общем случае сводится к определению среднего коэффициента теплопередачи и среднего температурного напора.

Для плоской стенки, например, коэффициент теплопередачи находится из уравнения:

.

Коэффициенты теплоотдачи инаходят из уравнений:

;

.

Характер изменения температурного напора зависит от схемы движения теплоносителя. Известно несколько схем организации движения теплоносителя.

1. Прямоток – теплоносители протекают параллельно в одном направлении.

Угол наклона зависит от водяного эквивалента: чем он больше, тем более полого проходит кривая температур.

2. Если жидкости (среды) протекают параллельно, но в противоположных направлениях, то такая схема называется противотоком.

3. Если жидкости протекают во взаимно перпендикулярном направлении, то такая схема называется поперечным током.

4. На практике могут встречаться и более сложные схемы, например, одновременно противоток и прямоток.

5. Многократно перекрестный ток.

Большее изменение температуры будет у теплоносителя с меньшим водяным эквивалентом.