Послідовність розрахунку теплообмінного апарата

Теплові розрахунки теплообмінних апаратів можуть бути конструктивними (коли визначається площа робочої поверхні теплообмінного апарата) або перевірочними (коли для існуючого або лише спроектованого апарата розрахунковим шляхом перевіряється температура теплоносіїв на виході з апарата). Нижче розглядаються лише питання пов’язані з конструктивним розрахунком.

Головними рівняннями, що описують роботу теплообмінних апаратів є рівняння теплопередачі:

та рівняння теплового балансу

, Вт

де –теплота передана від теплоносія, що нагріває, Вт;

–теплота прийнята теплоносієм, що нагрівається, Вт;

Q – теплові втрати в оточуюче середовище, Вт;

k – коефіцієнт теплопередачі від одного теплоносія до другого через стінку теплообмінника, Вт/(м²К);

t – середньологаріфмічний перепад температур між теплоносіями при їх русі в теплообмінному апараті, С;

F – площа робочої поверхні теплообмінного апарата, м² ;

G₁, G₂ – витрата теплоносія, що нагріває, і теплоносія, що нагрівається, кг/с;

с₁, с₂ – теплоємності теплоносіїв, Дж/(кг·K);

–вхідна і вихідна температури теплоносія, що нагріває, °С;

–вхідна і вихідна температури теплоносія, що нагрівається,°С.

Середньологаріфмічний перепад температур між теплоносіями при їх русі в теплообмінному апараті (протиточна схема) визначаються наступним чином:

.

Значення коефіцієнта теплопередачі визначаємо наступним чином, використовуємо спрощену формулу (як для плоскої стінки, що допустимо при малій різниці між внутрішніми і зовнішніми діаметрами трубок).

, Вт/(м²·K),

де  – товщина матеріалу трубок, м

_м – коефіцієнт теплопровідності матеріалу трубок Вт/(мК);

₁, ₂ – коефіцієнти тепловіддачі від теплоносія, що нагріває до внутрішньої (або зовнішньої) поверхні трубки і від зовнішньої (або внутрішньої) поверхні трубки до теплоносія, що нагрівається, Вт/(м²·K).

При русі теплоносія в трубці зі швидкістю w м/c приблизне значення коефіцієнта тепловіддачі знаходимо наступним чином. За допомогою відповідного критеріального рівняння обчислюємо відповідне значення критерія Нусельта: ,а далі знаходимо шукану величину

де Re_fd – критерій Рейнольдса, визначається як ;

Pr_f – критерій Прандтля, він є характеристикою теплофізичних властивостей рідини, його значення для кожної рідини в залежності від її температури знаходять в відповідних довідниках [2];

 – теплопровідність рідини при її температурі, знаходять в відповідних довідниках [2], Вт/(мК);

 –кінематична в’язкість рідини при її температурі, знаходять в відповідних довідниках [2], м²/с;

d – характерний геометричний розмір, для теплоносія, що рухається в трубці він дорівнює внутрішньому діаметру трубки, м.

При поперечному обтіканні теплоносієм трубок теплообмінного апарата зі швидкістю wм/cприблизне значення коефіцієнта тепловіддачі знаходимо таким же чином. При Re_fd>1^.10³ значення критерія Нусельта обчислюється якабо для повітря, враховуючи його теплофізичні властивостідалі як і в попередньому випадку знаходимо значення коефіцієнта тепловіддачі.

Таким чином для того, щоб при заданих температурах входу і виходу теплоносіїв і їх витратах знайти необхідну площу робочої поверхні теплообмінного апарата треба:

• якщо не задана температура виходу одного з теплоносіїв то її знаходять з рівняння теплового балансу;

• розрахувати середньологаріфмічний температурний перепад між теплоносіями;

• визначити коефіцієнти тепловіддачі при русі теплоносіїв;

• обчислити значення коефіцієнта теплопередачі;

• знайти площу робочої поверхні теплообмінного апарата з рівняння теплопередачі.

Завдання по розрахунку необхідної площі поверхні теплообмінного апарата

Визначити площу робочої поверхні газорідинного теплообмінного апарату і температуру рідини, що нагрівається, на виході з нього для наступних вихідних даних: витрата газу (повітря) V м³/год, температура входу до теплообмінного апарату t₁^’ С, температура виходу з теплообмінного апарату t₁^’’ С; витрата рідини (вода) G кг/год, температура входу до теплообмінного апарату t₂^’ С. Схема руху теплоносіїв протиток. Чисельні значення вихідних даних для кожного з варіантів представлені в Таблиці 3. Для кожного з варіантів прийняти коефіцієнт тепловіддачі від повітря до поверхні теплообміну 50 Вт/(м²К); коефіцієнт тепловіддачі від поверхні теплообміну до рідини 5000 Вт/(м²К). Товщина поверхні розділу 3 мм, теплопровідність матеріалу поверхні розділу 50 Вт/(мК).

№ вар.	V, м^3/год	G, кг/год	t1^’, С	t1^’’, С	t2^’, С
1	1500	1200	320	220	5
2	1800	1500	310	200	7
3	3000	3000	280	180	8
4	1700	1600	220	120	5
5	3500	3600	230	120	7
6	3600	1800	280	150	8
7	1800	1500	240	120	9
8	1600	1800	260	130	10
9	1800	1700	270	140	5
10	1700	1600	290	140	5
11	1600	1000	190	100	6
12	1900	1400	180	90	7
13	2000	1500	220	120	8
14	2110	1600	230	110	5
15	2200	1500	220	120	6

Таблиця 3 – Вихідні дані для розрахунку площі робочої поверхні теплообмінних апаратів

4.