2.2 Общие положения теплового расчета рекуперативных теплообменных аппаратов

Основными расчетными уравнениями при расчете теплообменных аппаратов является уравнения теплопередачи:

, Вт

и уравнение теплового баланса:

, Вт,

где - потери теплоты.

Количество теплоты, отданное горячим теплоносителем

, Вт,

, Вт.

Количество теплоты, воспринятое холодным теплоносителем

, Вт,

, Вт,

где и - массовый расход горячего и холодного теплоносителей, кг/с;

- потери теплоты в окружающую среду, Вт;

и - удельные массовые средние изобарные теплоносители, Дж/(кг×К);

и - начальная и конечная температуры горячего теплоносителя, ^оС;

и - начальная и конечная температуры холодного теплоносителя.

В тепловых расчетах важное значение имеет понятие так называемого теплового эквивалента теплоносителя

, Вт/К,

где - скорость теплоносителя, м/с;

- плотность теплоносителя, кг/м³;

- площадь сечения канала, м^2.

Смысл этого понятия состоит в том, что его числовая величина определяет как бы количество воды, равноценное по теплоемкости и расходу рассматриваемого теплоносителя в единицу времени. При вычислении среднего температурного напора необходимо учитывать характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена. В теплообменных аппаратах характер изменения температур отличается от линейного и определяется водяными эквивалентами и направлением их движения

характер изменения температур отличается от линейного и определяется водяными эквивалентами и направлением их движения

Рис. 2.4. Характер изменения температур рабочих жидкостей

В качестве средней разности температур для прямоточной и противоточной схемы принимается в общем случае среднелогарифмическая разность температур

,

где , - большая и меньшая разности температур теплоносителей на входе и выходе соответствующих зон поверхности теплообменного аппарата, ^оС.

В случае, когда температурный напор определяется как среднелогарифмическая разность

.

Для схем движения теплоносителей, отличных от противоточной и прямоточной, температурный напор определяется по формуле

,

где - поправочный коэффициент, который определяют по специальным графикам зависимости от схемы движения теплоносителей и значений величин.

и .

В теплообменных аппаратах, работающих без изменения агрегатного состояния, теплоносителей, противоток дает большее значение среднего температурного напора, по сравнению с любой другой схемой движения теплоносителей. Прямоточная схема движения теплоносителей имеет наименьшее значение среднего температурного напора.

Коэффициент теплопередачи, Вт/(м²×К), с учетом загрязнения поверхностей теплообмена определяют по уравнению

, Вт/(м²×К),

где - коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке, Вт/(м²×К);

- термическое сопротивление стенки. Если стенка многослойная ;

- коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю, Вт/(м²×К);

- толщина стенки (слоя), м;

- коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м×К): латуни 105-245; медно-никелиевые сплавы 37-130; сталь 08Х18Н9Т-15,9; сталь 20-50,6; титановые сплавы Вт1-0 – 19,0, ОТ4-0 – 13,0.

Коэффициент теплопередачи с учетом загрязнения поверхностей теплообмена:

,

где и - термические сопротивления загрязняющего слоя с каждой стороны стенки. Ориентировочные термические сопротивления.

Формула может быть использована для расчета коэффициента теплопередачи через плоскую стенку или через тонкостенную цилиндрическую стенку ( ). При используют формулу для определения коэффициента теплопередачи через цилиндрическую стенку, приведенную к наружной поверхности

.

В теплообменных аппаратах среднюю температуру поверхности стенки определяют по упрощенным формулам:

;

для внутренней поверхности стенки , ^оС;

, ^оС;

для внешней поверхности стенки , ^оС;

, ^оС,

где и - коэффициенты теплоотдачи соответственно с внутренней и наружной стороны при условии , ^оС;

- удельный тепловой поток, равный , Вт/м²;

;

;

- толщина стенки, м;

- коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м×К).

Иногда вычисление коэффициента теплопередачи производят по температурам рабочих жидкостей в начале и в конце поверхности нагрева. Если полученные значения и друг от друга отличаются не очень сильно, то среднеарифметическое из них принимается за среднее значение:

, Вт/(м²×К).

В большинстве случаев такое осреднение является достаточным. В случае же сильного расхождения между собой значений и необходимо разделить поверхность нагрева на отдельные участки, в пределах которых коэффициент теплопередачи изменяется незначительно, и для каждого такого участка расчет теплопередачи производить раздельно.

Также поступают и в тех случаях, когда резко меняются условия омывания поверхности нагрева рабочей жидкостью, например в нижней части поверхности нагрева поперечное омывание, в средней – продольное и в верхней снова поперечное. Если при этом температура рабочей жидкости изменяется незначительной, то применяется осреднение:

, Вт/(м²×К),

где - отдельные участки площади поверхности нагрева, м²;

- средние значения коэффициента теплопередачи на этих участках, Вт/(м²×К).