10 Расчет теплообменного аппарата

10.1 Типы теплообменных аппаратов

Теплообменный аппарат ( теплообменник ) - это устройство, предназначенное для нагревания, охлаждения или изменения агрегатного состояния теплоносителя.

Теплообменники с двумя теплоносителями по принципу действия подразделяются на три основные группы:

1) рекуперативные;

2) регенеративные;

3) смесительные.

Рекуперативные ТОА – аппараты, в которых теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку.

Наиболее распространены трубчатые теплообменники, в которых один теплоноситель движется в трубах, а другой в межтрубном пространстве ( рисунок 10.1).

Рисунок 10.1 - Схема простейшего кожухотрубного рекуперативного теплообменника для передачи теплоты от одного теплоносителя (l) к другому (ll)

Рекуперативные теплообменники подразделяются в зависимости от направления движения теплоносителей на :

а) прямоточные – если теплоносители движутся параллельно в одинаковом направлении (рисунок 10.2 а);

б) противоточные – если теплоносители движутся в противоположном направлении (рисунок 10.2 б);

в) с перекрестным током – если теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях (рисунок 10.2 в). Возможен многократный перекрестный ток (рисунок 10.2 г).

а) прямоток б) противоток в) перекрестный г) многократно

ток перекрестный ток

Рисунок 10.2. Схемы движения теплоносителей:

– горячий теплоноситель,

- холодный теплоноситель.

10.2 Расчетные уравнения

Сущность расчета любого ТОА - совместное решение уравнений теплового баланса и теплопередачи.

1. Уравнение теплового баланса

Q₂ =   Q₁ , кДж (10.1)

где Q₁ – количество теплоты, отданное горячим теплоносителем, кДж;

Q₂ – количество теплоты, полученное холодным теплоносителем, кДж;

 – КПД теплообменника. Из-за потерь (до 10 %) второму теплоносителю передается не вся теплота Q₁, а часть ее.

Тепловой поток Q₁, отданный в теплообменнике горячим теплоносителем при его охлаждении от температуры t₁' до t₁'', равен:

Q₁ = G₁  C_p1 (t₁' – t₁''), кДж (10.2)

где G₁ – массовый расход горячего теплоносителя, кг/с;

C_p1 – теплоемкость горячего теплоносителя при средней температуре t_1ср. = 0,5∙(t₁' + t₁''), кДж/(кг град);

t₁' и t₁'' – температуры горячего теплоносителя соответственно на входе и выходе ТОА , C.

Тепловой поток Q₂, полученный в теплообменнике холодным теплоносителем при его нагревании от температуры t₂^' до t₂^", равен:

Q₂ = G₂  C_p2 (t₂'' – t₂'), кДж (10.3)

где G₂ – массовый расход холодного теплоносителя, кг/с;

C_p2 – теплоемкость холодного теплоносителя при средней температуре t_2ср. = 0,5 (t₂' – t₂''), кДж/(кг град);

t₂' и t₂'' – температуры холодного теплоносителя соответственно на входе и выходе ТОА , C.

2) Уравнение теплопередачи

, (10.4)

где К – коэффициент теплопередачи через поверхность F, Вт/(м²∙К);

– среднее по поверхности значение температурного напора (t₁-t₂). Изменения температурного напора показаны на рисунке 10.3.

Р исунок 10.3. Изменение температур горячего и холодного теплоносителей по длине рекуперативного ТОА.

Пользоваться среднеарифметическим значением

t_cp= 0,5(t_max + t_min)

можно только при t_max/t_min  1,4, когда ошибка составляет не более 4% , что допустимо для технических расчетов.

Во всех остальных случаях следует пользоваться среднелогарифмическим температурныцм напором :

. (10.5.)

Эта формула справедлива для любых схем движения теплоносителей. При расчете необходимо всегда рисовать график изменения температур.

Следует заметить, что среднелогарифмический напор всегда меньше среднеарифметического:

t < t_cp.

Рекомендации к решению задач по ТОА:

1. Горячий теплоноситель следует обозначать индексом «1» (t₁), а холодный – «2» (t₂);

2. на входе в ТОА температура теплоносителя обозначается одним штрихом (t'), а на выходе двумя – (t”);

3. при расчете среднего логарифмического напора обязательно рисовать температурный график.

Задачи

1. Перевести  = 50 ⁰C в Т, К.

2. Теплота крекинг-остатка используется для подогрева нефти в теплообменнике от 25 ⁰С до 175 ⁰С. Температура крекинг-остатка на входе в теплообменник равна 300 ⁰С, а на выходе 200 ⁰С. Определить среднелогарифмический температурный напор между нефтью и крекинг-остатком для прямоточного и противоточного теплообменников, сравнить их и сделать выводы.

3. В маслоохладителе температура масла на входе t_м.вх, на выходе t_м.вых, воды на входе t_в.вх, на выходе t_в.вых. Определить, в каком случае средний температурный напор будет выше (при прямотоке или противотоке) и во сколько раз. Сделать выводы.

Последняя цифра варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
tм.вх, оС	96	88	80	95	76	82	77	85	92	84
tв.вх, оС	2	10	17	5	21	14	20	8	4	12
Первая цифра варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
tм.вых, оС	55	62	58	72	65	67	56	59	61	70
tв.вых, оС	27	30	42	35	31	29	48	26	37	39

4. В воздухоподогревателе воздух нагревается от 200 ⁰С до 210 ⁰С горячими выхлопными газами, выходящими из турбины с температурой 700 ⁰С и остывающими в подогревателе до 540 ⁰С. Определить средний логарифмический температурный напор для прямоточной и противоточной схем, сравнить их и сделать выводы.

5. Найти тепловой поток в маслоохладителе. Теплоемкость масла с_м, плотность  (приложение 5), объемный расход V. Средняя температура масла t_мас, средняя температура охлаждающей воды t_вод

Последняя цифра варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Марка масла	МС-20	Трансф.	МК	МС-20	Трансф.	МК	МС-20	Трансф.	МК	МС-20
tмас, оС	80	95	85	70	75	55	65	60	50	100
Первая цифра варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Расход v, м3/ч	40	45	35	30	55	70	25	75	15	20
tвод, оС	22	35	25	28	24	31	37	36	29	21

6. Мощность маслоохладителя 250 кВт, средний логарифмический температурный напор между маслом и водой t = 30 ⁰С. Определите площадь теплопередающей поверхности, если коэффициент теплопередачи от масла к воде К = 5 кВт/(м²К).

7. Масло поступает в маслоохладитель с температурой t_мас1 ⁰С и охлаждается до температуры t_мас2 ⁰С. Температура охлаждающей воды (с_р = 4,2 кДж/(кгК)) на входе t_вод1 ⁰С. Определить температуру воды на выходе из маслоохладителя, если расходы масла и воды равны соответственно G₁ и G₂ т/ч. Потерями теплоты в окружающую среду пренебречь.

Последняя цифра варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Марка масла	МК	Трансф.	МС-20	МК	МС-20	Трансф.	МК	Трансф.	МС-20	МК
tмас1, оС	80	95	85	70	75	55	65	60	50	100
Расход G1, т/ч	5,6	8,2	9,4	10	12	7,5	6,8	11	14	15
tвод1, оС	15	10	12	20	5	8	17	11	19	9
Первая цифра варианта	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Расход G2, т/ч	20	15	30	22	24	17	19	10	14	27
tмас2, оС	26	35	25	45	24	31	35	32	30	27

8. Определить площадь поверхности нагрева водяного экономайзера, в котором теплоносители движутся по противоточной схеме, если известны следующие величины: температура газов, на входе t₁ = 420 ⁰С; расход газов G₁ = 220 т/ч; теплоемкость газов с_р1 = 1,045 кДж/(кгК); температура воды на входе t₂ = 105 ⁰C; расход воды G₂ = 120 т/ч; теплоемкость воды с_р2 = 4,19 кДж/(кгК); количество передаваемой теплоты Q = 13,5 МВт; коэффициент теплопередачи от газов к воде К = 79 Вт/(м²К).

9. В аппарате воздушного охлаждения (АВО) на компрессорной станции перекачиваемый природный газ охлаждается воздухом. Внутренний диаметр труб 18 мм, а наружный 21 мм. Коэффициенты конвективной теплоотдачи от природного газа к поверхности труб и от труб к воздуху равны соответственно: _г = 100 Вт/(м²К); _в = 85 Вт/(м²К). Определите влияние на величину коэффициента теплопередачи материала трубок: а) трубы выполнены из латуни, _л=111 Вт/(мК); б) трубы выполнены из стали, _с = 40 Вт/(мК).

10. Определить площадь поверхности теплообмена для кожухотрубного маслоохладителя, если его тепловая мощность 300 кВт, средняя температура масла 50 ⁰С, воды 15 ⁰С, диаметр латунных трубок для масла d_в/d_н = 14/16 мм, _лат = 120 Вт/(мК), толщина отложений 0,7 мм, _лат = 0,5 Вт/(мК), коэффициент теплоотдачи от масла к стенке 150 Вт/(м²К), а от стенки к воде 500 Вт/(м²К).