2. Конструктивный тепловой расчет теплообменных аппаратов

Конструктивный расчет теплообменников выполняют при их проектировании. При таком расчете заданы расходы теплоносителей и их параметры на входе и на выходе из него. Целью конструктивного расчета является определение необходимой поверхности теплообмена для заданного типа теплообменного аппарата. Кроме того, необходимо определить количество труб (для многоходовых теплообменников – число ходов и количество труб на один ход), диаметр кожуха, длину труб и диаметры патрубков для подвода теплоносителей.

Основой конструктивного расчета теплообменного аппарата является решение уравнений теплового баланса и теплопередачи. Уравнение теплового баланса имеет вид:

(2.1)

где Q – тепловой поток, передаваемыйе греющим теплоносителем в теплообменнике (тепловая мощность), Вт;

– изменение энтальпии греющего теплоносителя, Дж/кг;

– изменение энтальпии нагреваемого теплоносителя, Дж/кг;

– расходы греющего и нагреваемого теплоносителей, г/с;

– КПД теплообменного аппарата, учитывающий потерю тепла в окружающую среду.

Если в теплообменнике агрегатное состояние теплоносителей не изменяется, то

; , (2.2)

где и – начальная и конечная температуры греющего теплоносителя;

и – начальная и конечная температура нагреваемого теплоносителя;

и – средние значения изобарных теплоемкостей греющего и нагреваемого теплоносителя, Дж/(кгК).

При изменении агрегатного состояния греющего теплоносителя, например в результате конденсации пара,

(2.3)

где и – энтальпии пара и конденсата, Дж/кг.

В случае если в качестве греющего теплоносителя используется насыщенный пар, и образующийся конденсат не охлаждается, то

,

где и – энтальпии насыщенного пара и воды при данном давлении, Дж/(кгК).

Таким образом, для водо-водяных теплообменников уравнение теплового баланса имеет вид:

. (2.4)

Для теплообменников, в которых в качестве греющего теплоносителя используется насыщенный пар, и конденсат не охлаждается имеем:

. (2.5)

Если расход одного из теплоносителей неизвестен, для его определения используют одно из уравнений (2.4) или (2.5).

Уравнение теплопередачи необходимо для определения плотности теплового потока теплообмена и имеет вид:

, (2.6)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К);

и – температуры греющего и нагреваемого теплоносителей;

q – плотность теплового потока, Вт/м².

Уравнение (2.6) справедливо, если и остаются неизменными по всей поверхности теплообмена, однако это условие выполняется только в редких случаях. В большинстве случаев температура хотя бы одного из теплоносителей изменяется по длине аппарата и, следовательно, изменяется температурный напор . Поэтому уравнение теплопередачи записывается в виде:

, (2.7)

где – среднелогарифмический температурный напор;

k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²К),

F – площадь поверхности теплообмена, м².

Так как толщина стенки труб мала по сравнению с диаметром, коэффициент теплопередачи может быть рассчитан по формуле для плоской стенки

, (2.8)

где

, – коэффициенты теплообмена с обеих сторон теплопередающей поверхности, Вт/(м²К);

 – толщина стенки труб, м;

 – теплопроводность материала труб, Вт/(мК);

₃ – толщина слоя загрязнений, м;

₃ – теплопроводность слоя загрязнений, Вт/(м²К).

При использовании формулы (2.7) необходимо учитывать влияние загрязнений поверхностей теплообмена (отложение накипи, сажи и т.п.) на величину k. Для этого нужно знать толщину слоев и коэффициенты теплопроводности загрязнений на внутренних и наружных поверхностях. В случае отсутствия этих данных учет влияния загрязнения поверхностей на теплопередачу осуществляют введением коэффициента .

(2.9)

В большинстве случаев  = 0,7…0,8.

При определении коэффициента теплопередачи (2.8) необходимо знать коэффициенты теплоотдачи с обеих сторон теплопередающей поверхности. Для водо-водяных теплообменников коэффициенты теплоотдачи с обеих сторон стенки труб определяются с использованием уравнений подобия. При использовании пара в качестве греющего теплоносителя коэффициент теплоотдачи при конденсации определяется по размерным зависимостям.

Среднелогарифмический температурный напор определяем по уравнению

, (2.10)

где и – больший и меньший температурный напор на входе и выходе теплоносителей;

В зависимости от направления движения теплоносителей следует различать аппараты: прямого тока, противоточные, переменного тока, со сложным направлением движения теплоносителей.

При прямоточной схеме движения теплоносителей

при противотоке и определяются путем сравнения разностей и .

При перекрестном движении теплоносителей предварительно определяют среднелогарифмический температурный напор, как для противоточной схемы . Затем вычисляют вспомогательные величины P и R по уравнениям

.

Далее по графикам [5] находят поправку , учитывающую влияние сложности схемы на величину .

Значение среднего температурного напора определяют по формуле

.

Поверхность теплообмена кожухотрубчатого теплообменного аппарата равняется сумме поверхностей труб трубного пучка

, (2.11)

где – средний диаметр трубы;

l – длина трубы;

n – количество трубок на один ход;

m – число ходов теплоносителя, движущегося внутри труб.

Скорость теплоносителей предварительно принимается в пределах 0,5…2,0 м/c воды и 5…18 м/с для пара.

По формуле (2.11) определяется длина теплообменного аппарата.