7. Порядок расчета теплообменников

При проектировании теплообменников их тепловой расчет сводится к определению необходимой площади поверхности теплообмена S при известных расходах, начальной и конечной температурах теплоносителей.

Конструктивные расчеты производят совместно с гидравлическими расчетами, в результате которых подбирают наиболее подходящие стандартные или нормализованные конструкции теплообменных аппаратов. Выбранная конструкция должна быть по возможности оптимальной – сочетающей интенсивный теплообмен с низкой стоимостью, надежностью, дешевизной и удобством эксплуатации.

До проведения собственно расчета теплообменников следует установить целесообразность направления одного из теплоносителей в трубное, а другого – в межтрубное пространство аппарата. Такой выбор производят, исходя из необходимости увеличить интенсивность теплоотдачи со стороны теплоносителя с большим термическим сопротивлением.

В трубное пространство теплообменника целесообразно подавать:

1) теплоносители с малым расходом и большой вязкостью;

2) теплоносители, содержащие твердые взвеси и загрязнения (для облегчения чистки поверхности);

3) теплоносители с большим давлением;

4) теплоносители, содержащие химически активные вещества, что не потребует изготовления корпуса из коррозионностойкого материала. Следует учитывать также, что при направлении нагревающего теплоносителя в трубы уменьшаются потери тепла в окружающую среду.

При выборе направления взаимного движения теплоносителей, следует учитывать преимущество противотока при теплообмене (без изменения агрегатного состояния).

При выборе направления тока рабочих сред необходимо обеспечить:

а) наибольшую среднюю разность температур, с которой связано получение наименьших размеров теплообменника;

б) наилучшее использование рабочих сред (получение наибольшего изменения температур рабочих сред, при которых получаются минимальные расходы их);

в) возможно меньшую разность температур стенок корпуса аппарата и трубного пучка с целью уменьшения температурных деформаций;

г) высокие коэффициенты теплопередачи.

Возможны несколько вариантов взаимного направления движения теплоносителя.

Наиболее простое и часто встречающееся направление тока рабочих сред – простой ток (прямоток, противоток).

В прямоточных аппаратах холодный агент не может нагреться выше конечной температуры горячего теплоносителя. При противотоке предел нагревания холодного агента определяется начальной температурой горячего теплоносителя.

В противоточных аппаратах достигается большое изменение температур теплоносителей, вследствие чего снижается их расход. Поэтому, несмотря на некоторое уменьшение средней разности температур по сравнению с прямотоком, противоток экономичнее в расходе рабочих сред.

Перекрёстный и смешанный ток по своей эффективности занимает промежуточное положение между прямотоком и противотоком.

При проектировании кожухотрубных теплообменников с перекрестным и смешанным током необходимо иметь ввиду:

а) при простом смешанном токе и нечетном числе ходов увеличение числа ходов с противотоком вызывает увеличение средней разности температур;

б) с увеличением числа ходов при четном их числе средняя разность температур несколько уменьшается.

Тепловой расчет проектируемого теплообменника производят в следующей последовательности:

1) Определяют тепловую нагрузку теплообменника. Для этого используют уравнения теплового баланса. Из этих же уравнений находят расходы теплоносителей. В случае, когда их расходы заданы, определяют неизвестную конечную температуру одного из теплоносителей. Если неизвестны значения конечных температур обоих тепло­носителей и , то этими значениями задаются, исходя из допущения, что ≥ 3…5 °С.

2) Определяют значение средней разности температур.

3) Проводят предварительный выбор теплообменника. Для этого используют таблицу 7.1, задаются ориентировочным значением коэффициента теплопередачи и определяют ориентировочное значение площади поверхности теплопередачи:

. (7.1)

По полученному значению ориентировочной поверхности теплообмена выбирается конкретный вариант конструкции теплообменника.

Таблица 7.1 – Ориентировочные значения коэффициентов

теплопередачи

Вид теплообмена	Коэффициент теплопередачи , Вт/(м2·К), при
	вынужденном движении	свободном движении
От газа к газу (при невысоких давлениях)	10 – 40	4– 12
От газа к жидкости (газовые холодильники)	10 – 60	6– 20
От конденсирующегося пара к газу (воздухоподогреватели)	10 – 60	6 – 12
От жидкости к жидкости (вода)	800 – 1700	140 – 340
От жидкости к жидкости (углеводороды, масла)	120 – 270	30– 60
От конденсирующегося пара к воде (конденсаторы)	800 – 3500	300 – 1200
От конденсирующегося пара к органическим жидкостям (подогреватели)	120 – 340	60 – 170
От конденсирующегося пара органических веществ к воде (конденсаторы)	300 – 800	230 – 460
От конденсирующегося пара к кипящей жидкости (испарители)	–	300 – 2500

4) Определяют значение коэффициента теплопередачи и площади поверхности теплообмена. Для определения коэффициента теплопередачи необходимо предварительно рассчитать коэффициенты теплоотдачи и , а также термическое сопротивление самой стенки , на которой в процессе эксплуатации теплообменника обычно образуется с одной или двух сторон слой загрязнений.

Для вычисления значений и часто бывает необходимо знать значение температуры стенки. В таких случаях коэффициенты теплоотдачи обычно рассчитывают методом последовательных приближений: Для большинства случаев коэффициент теплоотдачи является функцией температуры стенки, которая заранее неизвестна. Поэтому расчет коэффициента теплопередачи ведут методом последовательного приближения. Порядок аналитического расчета следующий:

1) Задаются значением средней температуры стенки со стороны любого теплоносителя исходя из соотношений для температур стенки:

; (7.2)

, (7.3)

где – температура стенок теплопередающей поверхности со стороны горячего теплоносителя и нагреваемой среды;

– средние температуры горячего теплоносителя и нагреваемой среды;

– средний температурный напор.

Определение средних температур теплоносителей и см. [12, 14]. При ориентировочном выборе средних температур стенок следует руководствоваться дополнительными соображениями. Например, если > , то следует ожидать, что будет близко к значению (формула (7.2)).

2) Определить физические константы теплоносителей, необходимые для вычисления коэффициентов теплоотдачи.

3) Вычислить коэффициент теплоотдачи с той стороны поверхности, температурой стенки которой предварительно задавались (см. формулы (6.1) – (6.12)).

4) Вычислить плотность потока тепла со стороны теплоносителя, соприкасающегося со стенкой, температурой которой задавались. Если задавались температурой стенки со стороны горячего теплоносителя, то плотность потока тепла определяется по формуле:

. (7.4)

5) Определить температуру стенки с другой стороны теплопередающей поверхности:

, (7.5)

где – сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений.

6) Определить физические константы другого теплоносителя.

7) Вычислить коэффициент теплоотдачи со стороны другого теплоносителя от стенки (или к стенке).

8) Вычислить коэффициент теплопередачи по формулам (3.7)-(3.10).

9) Проверить температуру стенок по формулам (7.2)-(7.3). Если расчетная температура стенки отличается от принятой на 2-5 %, то расчет можно считать окончательным. При большом расхождении расчет повторяется в этой же последовательности до достижения указанной степени точности.

Указанный метод является аналитическим. Можно применять также графоаналитический метод.

Порядок графоаналитического метода расчета коэффициентов

теплопередачи

До пункта 7 порядок расчета совпадает с аналитическим, но расчет производится для 3-х, 4-х принятых произвольно температур стенки.

Затем вычисляют плотность теплового потока со стороны другого теплоносителя:

. (7.6)

Строят графическую зависимость и от принятой температуры стенки, т.е.:

и . (7.7)

Истинная температура стенки и плотность потока тепла соответствует условию:

. (7.8)

Графически эта точка определяется пересечением кривых (7.7) в координатах и

По найденному значению можно определить коэффициент теплопередачи:

. (7.9)

Приведенная методика расчета коэффициента теплоотдачи является общей и не зависит от того, изменяется ли агрегатное состояние теплоносителя или не изменяется.

Значением температуры стенки задаются и, после определения значения коэффициента теплопередачи , заданное значение проверяют.

Размер площади поверхности теплообмена определяется по основному уравнению теплопередачи:

. (7.10)

Сопоставление рассчитанного значения площади поверхности теплообмена со значением площади поверхности предварительно выбранного теплообменника дает ответ на вопрос о правильности выбранного варианта. В случае значительного расхождения значений следует перейти к другому варианту конструкции теплообменника.