4 Методика проектного расчета пластинчатого теплообменника

Проектный расчет пластинчатого теплообменника сводится к определению:

- величины теплового потока от одного теплоносителя к другому;

- расчетного коэффициента теплопередачи;

- вида и типоразмера пластинчатого теплообменника, опираясь на существующие конструкции;

- количество пластин;

- расчетный перепад давления теплоносителей.

При осуществлении расчета следует учитывать, что при одних и тех же заданных значениях теплового потока и температур теплоносителей могут быть спроектированы пластинчатые теплообменные аппараты с разным расчетным коэффициентом теплопередачи в силу существования большого количества конструкций пластин, принятых за аналог. Принятая за аналог пластина теплообменного аппарата в целом определяет размер общей теплообменной поверхности аппарата и величину его гидросопротивления.

Проектный расчет теплообменника, как правило, содержит тепловой, компоновочный и гидравлический расчеты, который в итоге подкрепляется расчетом на экономическую целесообразность разработки.

Согласно тепловому расчету по справочным данным определяют теплофизические свойства теплоносителей согласно их средней температуре

Средняя температура горячего теплоносителя в ⁰С определяется по зависимости

(1)

где - температура горячего теплоносителя на входе в теплообменник, ⁰С;

- температура горячего теплоносителя на выходе из аппарата, ⁰С;

Аналогично определяется теплофизические свойства холодного теплоносителя по средней температуре в ⁰С

(2)

К требуемым теплофизическим свойствам теплоносителей относятся: плотность, удельная массовая теплоемкость, коэффициент теплопроводности, коэффициент кинематической вязкости, коэффициент динамической вязкости, критерий Прандтля.

Согласно уравнению теплового баланса теплообменного аппарата, определяем тепловую нагрузку рассчитываемого теплообменника

(3)

где и - массовые расходы горячего и холодного теплоносителей, кг/с;

и - объемные расходы горячего и холодного теплоносителей, м³/ч;

и – удельные массовые теплоемкости горячего и холодного теплоносителей, Дж/(кг·К);

и - плотности горячего и холодного теплоносителей при температурах и соответственно, кг/м³

Тепловая нагрузка в Вт определится по первой части уравнения теплового баланса

(4)

Необходимый массовый расход воды в кг/с определяем по второй части уравнения теплового баланса

, (5)

Соответственно по массовому расходу холодного теплоносителя определяем объемный расход холодного теплоносителя, м³/с

Общая поверхность теплообмена в м² определяется по уравнению теплопередачи

, (6)

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

- среднелогарифмический температурный напор, ⁰С

В свою очередь среднелогарифмический температурный напор между горячим и холодным теплоносителем в ⁰С определяется по известной зависимости

, (7)

где - большая из разностей температур между температурами теплоносителей, С⁰;

- меньшая из разностей температур между температурами теплоносителей, С⁰

Большая из разностей температур для прямоточной схемы движения теплоносителей определяется как

, (8)

Меньшая из разностей температур для прямоточной схемы движения теплоносителей определяется как

, (9)

Для противоточной схемы движения теплоносителей меньшая и большая разности температур определяется сравнением разностей:

и , (10)

Коэффициент теплопередачи в , характеризующий интенсивность теплообмена между теплоносителями в теплообменнике определяется по зависимости

, (11)

где - коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к поверхности пластины, ;

– коэффициент теплоотдачи от поверхности пластины к холодному теплоносителю, ;

- термическое сопротивление загрязняющего слоя на пластине со стороны горячего теплоносителя, ;

- термическое сопротивление пластины, ;

- термическое сопротивление загрязняющего слоя на пластине со стороны холодного теплоносителя, ;

, , - толщины соответственно загрязняющих слоев и пластины теплообменника, м;

, , – соответствующие коэффициенты теплопроводности указанных загрязняющих слоев и пластины теплообменника,

Расчет коэффициентов теплоотдачи сопряжен с определением безразмерных комплексов и соответствующих им характеристических уравнений, позволяющих оптимальным путем определить недостающие параметры теплообмена по заданным характеристикам теплоносителей.

При движении теплоносителя в каналах пластинчатого теплообменника коэффициент теплоотдачи расчитывается:

- в случае турбулентного движения теплоносителя

, (12)

- в случае ламинарного движения теплоносителя

, (13)

где , и – коэффициенты, зависящие от режима движения потоков и типа пластин (Приложение Б)

– критерий Рейнольдса;

- критерий Прандтля (часто приводится в справочной литературе в готовом виде);

– удельная теплоемкость, ;

- кинематическая вязкость, м²/с;

– плотность теплоносителя при средней температуре, кг/м³;

– коэффициент теплопроводности теплоносителя при средней температуре, ;

Режим движения теплоносителя определяется по величине критерия Рейнольдса:

1) - режим ламинарный;

2) - режим турбулентный.

Критерий Рейнольдса определяется по известной зависимости

, (14)

где - средняя скорость теплоносителя по сечению канала, м/с;

– динамическая вязкость теплоносителя при средней температуре, Па·с.

Следует задаться средней скоростью движения теплоносителя в межпластинном канале в м/с по зависимости

, (15)

По полученным значениям и определяются соответственно величины коэффициентов теплоотдачи и в для обоих теплоносителей по зависимости

, (16)

где - коэффициент теплопроводности теплоносителя при его средней температуре,

- эквивалентный диаметр канала (определяется по приложению В), м

Далее по формулам (11) и (6) определяем коэффициент теплопередачи и общую площадь теплообмена. Полученную площадь теплообмена следует округлить в сторону увеличения до ближайшего стандартного значения, кратного площади пластины. После корректировки следует определить истинную скорость теплоносителей с учетом количества межпластинных зазоров и скорректировать значения коэффициента теплопередачи. Корректировку скоростей и количества пластин проводят до тех пор, пока количество пластин в аппарате после корректировок не стабилизируется.