МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ I НАУКИ УКРАЇНИ

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Методичні вказівки

ДО ВИКОНАННЯ розрахункових завдань

з дисципліни „Теплотехнологічні процеси та установки”

для студентів 3-го курсу спеціальності 05060101 „Теплоенергетика”

Дніпропетровськ УДХТУ 2012

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ I НАУКИ УКРАЇНИ

УКРАЇНСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ХІМІКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Методичні вказівки

ДО ВИКОНАННЯ розрахункових завдань

з дисципліни „Теплотехнологічні процеси та установки”

для студентів 3-го курсу спеціальності 05060101 „Теплоенергетика”

Затверджено на засiданні кафедри енергетики

Протокол № 11 від 02.06.2011 р.

Дніпропетровськ УДХТУ 2012

Методичні вказівки до виконання розрахункових завдань з дисципліни „Теплотехнологічні процеси та установки” для студентів 3-го курсу спеціальності 05060101 «Теплоенергетика»/ Укл. М.П. Сухий, І.Л. Решетняк – Дніпропетровськ: ДВНЗ «УДХТУ», 2012. – 25 с.

Укладачі: М.П. Сухий, проф., канд. техн. наук

І.Л. Решетняк

Відповідальний за випуск М.П. Сухий, канд. техн. наук

Навчальне видання

Методичні вказівки

до виконання розрахункових завдань з дисципліни „Теплотехнологічні процеси та установки” для студентів 3-го курсу спеціальності 05060101 «Теплоенергетика»

Укладачі Сухий Михайло Порфирович

Решетняк Ірина Леонідівна

Редактор

Коректор

Підписано до друку Формат Папір ксерокс. Друк різограф. Умов.-друк.арк. 0,75. Облік.-вид. арк. 0,84. Тираж ___прим. Зам. №___ Свідоцтво ______від

УДХТУ, 49005, м.Дніпропетровьк-5, просп.Гагаріна, 8.

Видавничо-поліграфічний комплекс IнКомЦентру

РОЗРАХУНОК ТЕПЛООБМІННИХ АПАРАТІВ

1. Загальна схема технологічного розрахунку

ТЕПЛООБМІННИХ АПАРАТІВ

Основну групу теплообмінних апаратів, що застосовуються у промисловості, складають поверхневі теплообмінники, в яких теплота від гарячого теплоносія передається холодному теплоносію через стінку, що їх розділює.

Розрахунок теплообмінного апарату включає визначення необхідної поверхні теплопередачі, вибір типу апарата і варіанту конструкції, яка задовольняє заданим умовам і є оптимальною.

Необхідну поверхню теплопередачі визначають виходячи з основного рівняння теплопередачі:

, (1)

де Q – тепловий потік, Вт;

K – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²К);

t_ср – середня різниця температур гарячого і холодного теплоносіїв, К.

1.1. Визначення теплового навантаження.

Теплове навантаження Q визначають з рівняння теплового балансу для одного з теплоносіїв у відповідності до заданих технологічних умов:

а) якщо агрегатний стан теплоносіїв не змінюється:

(2)

де G₁, G₂ – масові витрати теплоносія, кг/с;

с₁, c₂ – середня масова теплоємність, Дж/(кгК);

індекси: 1 – теплоносій з більшою середньою температурою (гарячий); 2 ‑ теплоносій з меншою середньою температурою (холодний); п – початкове значення, к – кінцеве значення;

б) при кипінні або при конденсації насичених парів без охолодження конденсату:

(3)

де r₁, r₂ – питома масова теплота випаровування (або конденсації), Дж/кг;

в) при конденсації перегрітих парів з охолодженням конденсату:

, (4)

де I_1п ‑ ентальпія перегрітого пару, Дж.

У рівняннях (2) ‑ (4) теплові витрати не обчислювались, враховувались (учитувались), тому що вони незначні за наявності теплоізоляції.

1.2. Розрахунок теплового балансу.

Якщо у вихідному завданні якийсь один технологічний параметр не вказаний (витрати одного з теплоносіїв або одна з температур), то його можливо знайти за допомогою рівняння теплового балансу для всього апарата в цілому, прирівнюючи праві частини рівнянь (2) ‑ (4) для гарячого і холодного теплоносіїв.

1.3. Визначення температурного режиму.

1.3.1. Визначення середньої різниці температур, що входять в рівняння теплопередачі.

В апаратах з прямо- або протитоковим рухом теплоносіїв середня різниця температур потоків визначається як середньологарифмічна між більшою і меншою різницями температур теплоносіїв на кінцях апарату:

(5)

Якщо відношення , то середню різницю температур можливо приблизно визначити як середньоарифметичну:

. (6)

За складного взаємного руху теплоносіїв, наприклад за змішаної течії в багатоходових теплообмінниках або перехресної течії t_ср приймає проміжне значення між значеннями для протитоку і прямотоку. Його можливо розрахувати, вводячи поправку _t  1 до середньологарифмічної різниці температур для протитоку, що розрахована за формулою (6):

. (7)

Значення поправочного коефіцієнту _t можливо визначити із спеціальних графіків, що наведені на рис.1.1.

Рис.1.1. Визначення поправки _t при непарному співвідношенні числа ходів теплоносія. Тут , .

В багатоходових теплообмінниках з одним ходом в міжтрубному просторі і парному числі ходів в трубному, середню різницю температур можливо розрахувати за формулою:

, (8)

де ;

‑ зміна температури гарячого теплоносія;

‑ зміна температури холодного теплоносія.

1.3.2. Визначення середніх температур теплоносіїв.

Значення фізико-хімічних констант теплоносія, що входять в більшість критеріальних рівнянь, віднесені до його середньої температури. Якщо агрегатний стан теплоносія не змінюється, то його середню температуру можливо визначити як середньоарифметичну між початковою і кінцевою температурами:

. (9)

Більш точне значення середньої температури для теплоносія, температура якого змінюється на більше число градусів, можливо визначити за формулою:

, (10)

де t_j ‑ середньоарифметична температура теплоносія з меншим перепадом температури вздовж поверхні теплообміну.

За зміни агрегатного стану теплоносія його температура є постійною вздовж всієї поверхні теплопередачі і дорівнює температурі кипіння (або конденсації), що залежить від тиску та складу теплоносія.

1.4. Приблизна оцінка коефіцієнту тепловіддачі , коефіцієнту теплопередачі K, площі F_ор.

Для визначення поверхні теплопередачі і вибору варіанта конструкції теплообмінного апарату необхідно визначити коефіцієнт теплопередачі. Його можливо розрахувати за допомогою рівняння адитивності термічних опорів на шляху теплового потоку:

. (11)

де ₁, ₂ – коефіцієнти тепловіддачі з боку теплоносіїв;

_ст – товщина стінки;

_ст – теплопровідність матеріалу стінки;

r₁, r₂ – термічні опори шарів забруднень з обох сторін стінки.

Це рівняння справедливе для передачі тепла через плоску або циліндричну стінку за умови, що R_з/R_в < 2 (де R_з і R_в – зовнішній і внутрішній радіуси циліндру).

Проте на цій стадії розрахунку точне визначення коефіцієнта теплопередачі неможливе, тому що ₁ і ₂ залежать від параметрів конструкції теплообмінного апарату, що розраховується. Тому спочатку на основі орієнтовної оцінки коефіцієнта теплопередачі доводиться приблизно визначити поверхню і вибрати конкретній варіант конструкції, a потім привести уточнений розрахунок коефіцієнту теплопередачі і необхідної поверхні.

Співставлення її з поверхнею обраного нормалізованого теплообмінника дає відповідь на питання про придатність обраного варіанту для наданої технологічної задачі. При значному відхиленні розрахованої поверхні від обраної слід перейти до іншого варіанту конструкції і наново виконати уточнений розрахунок. Кількість повторних розрахунків залежить головним чином від ступеня відхилення орієнтовної оцінки коефіцієнту теплопередачі від його уточненого значення.

Орієнтовні значення коефіцієнтів тепловіддачі і теплопередачі, а також значення теплової провідності забруднень стінок наведені в Табл.Д1, Табл.Д2 і Табл.Д3. (див. Додатки).