2.4.3. Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Конструкторский расчет. Целью теплового расчета теплообменника при его конструировании является определение площади поверхности теплообмена, необходимой для обеспечения передачи заданного теплового потока. Основными расчетными уравнениями являются уравнение теплового баланса (2.81) и уравнение теплопередачи (2.83). Порядок выполнения такого расчета следующий:

1. Из балансового уравнения (2.81) определяют мощность теплового потока Q, которую нужно передать от горячего теплоносителя к холодному.

2. Пользуясь рекомендациями специальной литературы, задаются ско-ростями течения теплоносителей и конструктивными особенностями аппарата (диаметрами трубок, проходными сечениями для теплоносителей).

3. На основании теории подобия, изложенной в теме 2.2, по соответству-ющим критериальным уравнениям рассчитывают коэффициенты теплоотдачи α₁ и α₂ для внутренней и наружной поверхностей теплообменного аппарата, а затем по формуле (2.83) коэффициент теплопередачи к.

4. По формуле (2.84) определяют значение среднелогарифмического тем-пературного напора Δt_ср.

5. Из уравнения теплопередачи (2.83) находят площадь поверхности теплообмена F аппарата.

6. По известной площади F рассчитывают длину трубок теплообменника.

Поверочный расчет. В этом случае известна конструкция аппарата (нап-ример, поставляемого для данной установки заводом-изготовителем), площадь поверхности теплообмена F, коэффициент теплопередачи к, расходы G и нача-льные температуры t₁´ и t₂´ теплоносителей. Необходимо рассчитать конечные температуры t₁´´ и t₂´´ теплоносителей и количество передаваемой теплоты Q, т. е. проверить пригодность аппарата для заданных проектных условий.

Одним из методов поверочного расчета является метод последовательных приближений. Для решения по этому методу задаются конечной температурой одного из теплоносителей, по уравнению теплового баланса рассчитывают коне-чную температуру второго и проводят конструкторский расчет. Если полученная в результате расчета площадь F не совпадает с площадью поверхности имеющегося теплообменника, расчет проводят вновь, задаваясь другими значе-ниями температуры теплоносителя на выходе. При расчетах может исполь-зоваться графоаналитический метод, когда по нескольким значениям Q строят кривую t₂´´=f (Q) и по ней определяют искомое значение t₂´´ Большую помощь при выполнении поверочного расчета оказывает компьютер, резко снижающий трудоемкость вариантных расчетов. В паспортных данных стандартных тепло-обменников приводятся их характеристики по данным заводских испытаний.

Выбор скорости и направления движения теплоносителей и их распре-деление в аппарате, тип поверхности теплообмена дают возможность произвести предварительную компоновку поверхности теплообмена.

При выборе расчетных скоростей теплоносителей необходимо стремиться к обеспечению развитого турбулентного режима, так как при этом обеспечиваются высокие коэффициенты теплоотдачи. Однако применение слишком высокой ско-рости теплоносителя может привести к чрезмерно большим гидравлическим соп-ротивлениям. Оптимальная скорость воздуха в межтрубном пространстве аппа-рата составляет 5…20 м/с, скорость капельных жидкостей в трубах 0,1…1 м/с.

Для уменьшения площади теплообмена, когда агрегатного состояние жидко-сти не изменяется (отсутствует кипение, конденсация), желательно применять противоточную схему движения теплоносителей. При выборе продольной или поперечной схемы омывания трубок жидкостью необходимо стремиться к выравниванию коэффициентов теплоотдачи для обеих жидкостей.

Вопрос о том, какой из теплоносителей направлять по трубкам, а какой в межтрубном пространстве, следует решать в зависимости от ряда факторов. Например, целесообразно жидкость с высоким давлением направлять по труб-кам, что позволит уменьшить массу корпуса аппарата. Необходимо учитывать и эксплуатационные требования: отложение загрязнений, промывка, очистка и др.

Оребрение поверхности теплообмена применяют для выравнивания термических сопротивлений, когда с одной стороны поверхности теплообмена имеют место большие коэффициенты теплоотдачи, а с другой - малые. Так, например, в водяных экономайзерах коэффициент теплоотдачи со стороны воды α₁ = 2000…5000 Вт/(м²К), а с газовой стороны α₁ = 10…30 Вт/(м²К). Для интенсификации теплообмена в таких аппаратах увеличивают площадь теп-лообмена со стороны газовых продуктов сгорания за счет ее оребрения. Степень оребрения поверхности выбирают из соотношения значений α₁ и α₂. Если значения α₁ и α₂ малы, то оребрение выполняют с обеих сторон.