Виды расчетов теплообменной аппаратуры (тоа)

Существует 2 вида расчетов ТОА:

1. проектировочный – его цель определить величину поверхности нагрева ТОА и конкретных размеров или типа ТОА;

2. проверочный – определить конечные температуры теплоносителей.

Порядок проведения проектировочного расчета:

тепловой расчет:

1. определяют тепловую нагрузку;

2. находят неизвестную температуру (или расход) теплоносителя;

3. находят среднюю разность температур (может корректироваться после компоновки аппарата);

4. находят коэффициенты теплоотдачи обоих теплоносителей, а затем коэффициенты теплопередачи;

5. находят поверхность нагрева ТОА;

конструктивный расчет:

6. Компонуют поверхность или выбирают нормализованный ТОА;

7. Производят гидромеханический расчет аппарата.

Рассмотрим конкретно вышеперечисленные пункты.

1. Тепловая нагрузка аппарата определяется по уравнению теплового баланса:

, где

y – коэффициент тепловых потерь, учитывающий потери тепла наружной поверхности аппарата (y=0,9…1 обычно);

Если агрегатное состояние не изменяется, то изменение энтальпии горячего теплоносителя рассчитывают по формуле:

(а);

холодного:

(б).

Определив из уравнения (а) ∆i для теплоносителя, с помощью (б) находят неизвестную температуру. Уравнение (а) позволяет найти расход одного из теплоносителей m, если он не задан.

Если в теплообмене изменяется агрегатное состояние, то изменение энтальпии определяют: при конденсации сухого насыщенного пара без перегрева и переохлаждения конденсата ∆i=r, где r – теплота парообразования, Дж/кг.

При конденсации влажного пара: ∆i=rх, где х – паросодержание.

При конденсации перегретого пара:

, где

– удельная теплоемкость пара;

t_пер – температура перегретого пара;

t_н – температура насыщения.

2. Определяем средний температурный напор:

.

3. Коэффициент теплопередачи:

.

Если газообразный носитель имеет высокую температуру, то используют суммарный коэффициент теплоотдачи:

.

Значения коэффициента теплоотдачи зависит в основном от следующих факторов:

1. режима течения жидкости;

2. скорости течения;

3. физических параметров жидкости;

4. геометрических характеристик трубы (диаметра, длины и т.п.);

5. температуры жидкости и внутренней поверхности трубы.

Если задана скорость течения жидкости ω₀, то находят скорость течения при средней ее температуре:

- для капельной жидкости;

.

Если скорость не задана, ее выбирают ориентировочно по таблице допустимых скоростей для различных видов теплоносителей.

Для соответствующего режима выбирают критериальное уравнение, определяют N_u, по которому определяют коэффициент теплоотдачи:

.

4. Поверхность нагрева.

Тепловой поток, проходящий через поверхность нагрева, определяется по формуле:

.

Компоновка аппарата заключается в определении числа и длины труб, составляющих поверхность нагрева, числа колен в змеевиковых ТОА, числа ходов в межтрубном пространстве и размеров секций в секционных аппаратах.

Сначала рассматриваем теплоноситель, движущийся внутри труб: находят число труб.

По заданному расходу и скорости теплоносителя находят суммарное проходное сечение параллельно включенных труб:

(м²),

υ – расход в м³/с (объемный);

m – массовый расход, кг/с.

По внутреннему диаметру трубы определяют проходное сечение f_Т=πd²/4, затем число параллельно включенных труб: .

Находят поверхность теплообмена одной трубы F_T=πdh.

Общая поверхность теплообмена: F=F_T∙N=πdhN. Из этого уравнения, зная F, находят h.

Расчет по теплоносителю, движущемуся в межтрубном пространстве производят по заданным расходам и скорости теплоносителя, проходящего между трубами:

.

Площадь просвета между трубами находят: и суммарную площадь одного хода: , где N – число труб.

Отсюда: . Число ходов: .

5. Температура поверхности нагрева.

Расчет проводят со следующими целями:

1. для определения условий службы материала, из которого выполнен ТОА;

2. для уточнения коэффициентов теплоотдачи, если в формулы для их определения входит неизвестная t_ст, которой приходится задаваться (чаще всего это относится к расчету коэффициента теплоотдачи на стороне горячего теплоносителя).

Температура стенки со стороны горячего теплоносителя:

,

на стороне холодного теплоносителя:

.

Для расчета по первому пункту берут t₁ – горячего теплоносителя, t₂ – холодного теплоносителя, α₁ и К – на входе в ТОА.

Для расчета со второй целью требуется находить как локальные температуры стенки на концах ТОА, так и среднюю по поверхности температуру стенки. В последнем случае в правой части уравнения берут средние величины.

Особенности расчета паропроводных ТОА.

Горячий теплоноситель – водяной пар, холодный – вода. В задании на проектировании обычно указывают давление пара и его степень сухости или температуру.

По давлению пара из таблиц находят температуру насыщения.

Если степень сухости х=1, то пар насыщенный сухой, ∆i≠r.

Если х<1, пар – насыщенный влажный, ∆i=rх.

Если t_пара, указанная в задании, > t_нас, то .

7. Гидравлический расчет определяет потери давления и мощность, затрачиваемую на перемещения. В пароводяных ТОА расчет потерь давления пара расчет потерь давления пара обычно не проводят.