8. Расчет теплообменных аппаратов

В современных котельных получили распространение пластинчатые и новые кожухотрубчатые теплообменники с улучшенными теплотехническими свойствами. По виду теплоносителей они делятся на водоводяные (подогреватели сырой воды и сетевой воды второй ступени) и пароводяные (охладители выпара, подогреватели химически очищенной и сетевой воды).

Целью расчёта теплообменного аппарата является определение его поверхности нагрева, выбор типоразмера и количества секций.

8.1. Расчет водоводяных кожухотрубчатых теплообменников

В качестве водоводяных теплообменников применяются подогреватели по [7], [11].

При расчете водоводяных теплообменников используются два основных уравнения:

уравнение теплообмена

; (8.1)

Уравнение теплового баланса

, (8.2)

где Q – теплпроизводительность аппарата, Вт;

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м^2.оС), по формуле (8.12);

Δt_cр.лог – среднелогорифмическая разность температур между греющей и нагреваемой средой, ⁰С, определяемая по формуле (8.14) , ^оС;

G_гр, G_нагр – расходы греющей и нагреваемой воды, кг/c;

с_гр, с_нагр – теплоемкости греющей и нагреваемой воды, Дж/(м^2.оС);

, – соответственно температура нагреваемого теплоносителя на входе и выходе из теплообменного аппарата, ⁰С;

, – соответственно температура греющего теплоносителя на входе и выходе из теплообменного аппарата, ⁰С .

Для выбора необходимого типоразмера водоподогревателя предварительно задаются оптимальной скоростью нагреваемой воды (ω_тр = 1 ÷ 2 м/с). Далее определяют необходимое сечение трубок водоподогревателя f_тр, м², по формуле:

, (8.3)

где ρ_нагр – плотность нагреваемой воды, кг/м³ (по табл. П5), взятая при средней температуре нагреваемого теплоносителя, которая рассчитывается по формуле:

, (8.4)

В соответствии с полученной величиной f_тр из [7], [11] выбирают необходимый типоразмер водоподогревателя.

Для выбранного типоразмера водоподогревателя определяются фактические скорости воды в трубках (ω_тр) и межтрубном пространстве (ω_м.тр) по формулам:

, (8.5)

(8.6)

где f_{м.тр ­}– площадь межтрубного пространства, м², определяемая по формуле:

(8.7)

где D_н – наружный диаметр корпуса, м, d_вн – внутренний диаметр трубок, м.

ρ_гр – плотность греющего теплоносителя, кг/м³ (по табл. П5), взятая при средней температуре греющего теплоносителя, которая рассчитывается по формуле:

(8.8)

Коэффициент теплоотдачи α₁, Вт/(м²·⁰С) от нагреваемого теплоносителя к стенкам труб определяется по эмпирической зависимости:

, (8.9)

где эквивалентный диаметр межтрубного пространства d_экв, м:

. (8.10)

Коэффициент теплоотдачи от стенок труб к нагреваемой воде α₂, Вт/(м²·⁰С):

, (8.11)

Коэффициент теплопередачи k, Вт/(м²·⁰С) рассчитывается по формуле:

. (8.12)

Поверхность нагрева водоподогревателя находят из уравнения

, (8.13)

, (8.14)

где Δt_б, Δt_м – наибольшая и наименьшая разности температур между теплоносителями.

В формуле (8.13) величина Q, Вт, находится из уравнения теплового баланса для соответствующего теплообменника.

Затем рассчитывается число секций N, шт., водоподогревателя по формуле:

, (8.15)

где f_сек – площадь одной секции, м² (определяется по [7], [11] в соответствии с выбранным типом водоподогревателя). Если величина N имеет дробную часть, которая больше 0,2, то число секций следует округлять в большую сторону.