2.2. Тепловой и материальный баланс теплообменников

Тепловой расчет теплообменников в одномерной постановке задачи основан на решении одномерных уравнений теплового баланса и не учитывает особенности гидродинамики и теплообмена, отличающие работу реального теплообменника от его идеализированной тепловой схемы.

При конструктивном расчете заданными считаются тепловая мощность теплообменника, расходы теплоносителей и их входные температуры. При поверочном расчете задается величина теплопередающей поверхности, определенная ранее в конструктивном расчете.

Тепловой баланс устанавливает равенство тепловой мощности, подведенной к теплообменнику, и тепловой мощности, отведенной от него с учетом потерь в окружающую среду:

, (3)

Где: – тепловая мощность, подведенная в теплообменник греющей средой, [Вт];

и – тепловая мощность, генерируемая в теплообменнике в результате преодоления гидравлического сопротивления соответствующих трактов греющей и нагреваемой среды, [Вт];

– тепловая мощность, отведенная из теплообменника нагреваемой средой, [Вт];

– тепловая мощность, теряемая теплообменником в окружающую среду, [Вт].

Величина + составляет доли процента от суммарной тепловой мощности теплообменников, работающих на жидких теплоносителях, и 1–2% для теплообменников с газообразными средами.

Потери в окружающую среду для современных теплообменников составляют доли процента, так как для большинства этих теплообменников применяется высокоэффективная тепловая изоляция.

Так как указанные величины малы и частично компенсируют друг друга, то можно считать коэффициент полезного действия крупных теплообменников на номинальном режиме работы близким к единице.

Тогда:

, (4)

где – тепловая мощность теплообменника на номинальном режиме работы, [Вт].

Тепловая мощность определяется по следующим вариантам формулы (4):

• с использованием значений теплоемкостей теплоносителей и температур:

, (4.1.)

где , , [^oK];

• с использованием значений энтальпий сред:

, (4.2.)

где и – температура греющей среды на входе и выходе из теплообменника, соответственно [^oК];

и – температура нагреваемой среды на выходе и входе из теплообменника, [^oК];

и – расход греющей и нагреваемой среды, [кг/с];

и – средняя теплоемкость греющей и нагреваемой среды, [Дж/(кг·^oК)];

– средний (логарифмический) температурный напор, [^oК];

и - энтальпия греющей среды на входе и выходе из теплообменника, соответственно, [Дж/кг];

и - энтальпия, нагреваемой среды на выходе и входе из теплообменника, соответственно, [Дж/кг].

Составление материального баланса заключается в использовании закона неразрывности потока (закона Бернулли), который определяет при условии отсутствия фазовых переходов в теплоносителях равенство массовых расходов сред на входе и выходе теплообменного аппарата, [кг/с]:

(5)

При нагревании или охлаждении, приводящих к фазовым превращениям хотя бы одного из теплоносителей происходит изменение плотности среды или ее удельного объема. При этом среда соответственно ускоряется при нагревании или испарении и замедляется при охлаждении или конденсации. Соответственно скачкообразно изменяется объемный расход [м³/с], а уравнение Бернулли (5) описать расходные характеристики при фазовых переходах не может. Для этих случаев используются более сложные критериальные уравнения тепло- и массопереноса.

В данном ИДЗ, как правило, надо использовать уравнения (3) – (5).