Тепловой расчет для теплообменников

Тепловой расчет для теплообменников

Теплообменный аппарат (теплообменник) представляет собой оборудование, которое отвечает за тепловой обмен между средами с разными показателями температур. Для нагревов или охлаждений устанавливают соответствующие устройства – теплообменники.

Пластинчатый теплообменник отличается вариативностью форм и размеров в зависимости от показателей своей производительности. Площадь рабочей поверхности является основным критерием выбора теплообменника. Ее определяют за счет использования теплового расчета как в процессе производства теплообменника, так и при его непосредственной эксплуатации.

За окончательные результаты конструкторских расчетов теплообменников принято считать определение площади поверхности теплового обмена, которая необходима для обеспечения заданных потоков тепла.

Можно производить обратные проверочные расчеты теплообменников, которые необходимы для установки окончательных показателей температуры как на входе, так и на выходе из теплоносителей, а именно потоков тепла при имеющейся площади поверхности теплового обмена.

Соответственно, в процессе изготовления теплообменника осуществляют конструкторский расчет, а при дальнейшей эксплуатации теплообменника – проверочный.

Основы теплового расчета теплообменников

В основе расчетов теплообменников лежат уравнения теплопередачи и теплового баланса.

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом.

Величина площади теплового обмена теплообменников является основной целью расчетов и определяется с помощью уравнения теплопередачи.

Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом.

Необходимая поверхность теплопередачи F определяется из основного уравнения теплопередачи:

F = Q / K∆t_ср.

– Тепловая нагрузка Q в соответствии с заданными технологическими условиями находится из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей

Q = G₁c₁ (t1_вх-t2_вых),

– если агрегатное состояние теплоносителя не изменяется:

Q = G_ic_i (t_iн − t_iк),

i =1,2;

– при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата или при кипении:

Q = G_ir_i ,

i =1,2;

– при конденсации перегретых паров с охлаждением конденсата:

Q = G₁(J_1н − с1t_1к),

где J_1н – энтальпия перегретого пара.

Тепловые потери при наличии тепловой изоляции незначительны, поэтому в уравнениях (1) – (4) они не учитываются.
Один какой-либо технологический параметр, не указанный в исходном задании (расход одного из теплоносителей или одна из температур), определяется из уравнений теплового баланса для всего аппарата в целом, приравниваются правые части уравнений (2) – (4) для горячего и холодного теплоносителя.
Важную роль в нахождении площади теплообмена играет средняя разность температур ∆t_ср :

Средняя температура теплоносителей t_i :

– если агрегатное состояние теплоносителя не меняется:

t_iн= 0_,iк5(t_i + t),

– более точное значение средней температуры одного из теплоносителей определяется при использовании средней разности температур ∆t_ср :

t_i = t_i ± ∆t_ср,

где t_i – среднеарифметическая температура теплоносителя с меньшим перепадом температуры вдоль поверхности теплообмена

– при изменении агрегатного состояния теплоносителя его температура постоянна вдоль всей поверхности теплопередачи и равна температуре кипения (или конденсации), зависящей от давления и состава теплоносителя.

Средняя разность температур ∆t_ср :

– в аппаратах с прямо- или противоточным движением теплоносителей ∆t_ср определяется как средняя логарифмическая между большей ∆t_б и меньшей ∆t_м разностями температур теплоносителей на концах аппарата:

∆t_ср = ∆t_б - ∆t_м / ln(∆t_б / ∆t_м)

Если разности температур одинаковы ∆t_б = ∆t_м или отличаются не более чем в два раза, то ∆t_ср определяется приближенно как среднеарифметическая разность температур:

∆t_ср = 0,5(∆t_б + ∆t_м).

Коэффициент теплопередачи К определяется из уравнения аддитивности термических сопротивлений теплопередачи через стенку:

1 / K = 1 / α₁ + δ_ст / λ_ст + r_з1 + r_з2 + 1 / α₂ .

Уравнение теплового баланса учитывает конструкцию теплообменников. С его помощью можно вычислить значения температур, необходимых для дальнейшего расчета площади теплового обмена. Массовые расходы греющего и нагреваемого носителей теплообменников, а также их удельные теплоемкости принимаются по нормативным данным.

Для теплоносителей характерен перепад показателей температуры в процессах теплового обмена энергией. В теплообменники каждый из них входит с одним показателем температуры, а выход сопровождается изменением значений. Все величины температур определяются в результате проверочных расчетов, которые затем сравниваются с фактическими показателями температур в теплоносителях.

Значение имеют коэффициенты теплоотдачи несущих сред, а также конструктивные особенности теплообменников. Для подробных конструкторских расчетов создаются схемы теплообменников, в которых отдельное место занимают схемы движения теплоносителей. Сложности в расчетах возникают при изменении коэффициентов теплопередачи k на рабочей поверхности теплообменника.

Коэффициенты теплоотдачи теплоносителей и типовые размеры элементов, необходимые для конструирования теплообменника и проведения проверочных расчетов, учитываются в нормативных документах (ГОСТ 27590).

ПРИМЕР РАСЧЕТА

Для большего понимания разберем пример по конструкторскому расчету теплообмена. Данный расчет максимально упрощен, а также не учитывает потери тепла и конструктивные особенности теплообменника.

Исходные данные:

1. Показатель температуры греющего носителя на входе t_1^вх= 18 ºС;
2. Показатель температуры греющего носителя на выходе t_1^вых = 12 ºС;
3. Температура нагреваемого носителя на входе t_2^вх = 7 ºС;
4. Температура нагреваемого носителя на выходе t_2^вых = 15 ºС;
5. Расход массы греющего носителя G₁ = 12000 кг/ч;
6. Расход массы нагреваемого носителя G₂ = 20000 кг/ч;
7. Мощность теплообмена = ? (узнаем по формуле теплового баланса)

ВЫВОДЫ

Какой результат можно получить при расчетах и каково его дальнейшее применение?

Предположим, что поступил заказ на предприятие. Для его выполнения необходимо изготовить теплообменник пластинчатого типа с определенной площадью поверхности теплового обмена и конкретной производительностью. Исходя из этого возникают следующие вопросы: какой размер обязан иметь теплообменник? И благодаря использованию каких материалов теплообменник будет обладать необходимым показателем производительности при определенных размерах рабочей поверхности?

Для того чтобы получить корректные ответы, необходимо произвести тепловой расчет.

Таким образом, показатели температуры в теплообменнике как на входе, так и на выходе, а также площадь рабочей поверхности являются основными, связанными друг с другом критериями оценки качества работы теплообменника. За счет совершения тепловых расчетов инженеры имеют возможность разработки основных конструктивных, ремонтных и контрольных решений для обеспечения стабильной работы теплообменников.