3. Общая схема технологического расчета теплообменных аппаратов
Расчет теплообменного аппарата включает определение необходимой поверхности теплопередачи, выбор типа аппарата и нормализованного варианта конструкции, удовлетворяющих заданным технологическим условиям оптимальным образом. Необходимую поверхность теплопередачи определяют из основного уравнения теплопередачи:
3.1 Определение тепловой нагрузки аппарата.
Тепловой нагрузкой теплообменного аппарата является та часть теплоты, которая непосредственно передается от горячего теплоносителя через стенку и воспринимается холодным теплоносителем (без учета тепловых потерь в окружающую среду).
Эта
часть теплоты непосредственно определяется
по уравнению теплового баланса,
составляемого для каждого конкретного
теплообменного процесса. Для нахождения
тепловой нагрузки рекомендуется,
используя изображение аппарата с
обозначением всех материальных потоков
и их теплофизических характеристик,
составить тепловой баланс и решить его.
Наилучшим вариантом составления
теплового баланса считается табличный
вариант с использованием в качестве
основной теплофизической характеристики
потока – его энтальпии. На рис. 3.1 и в
таблице 3.1 представлен вариант схемы
двухходового кожухотрубчатого
теплообменника
и таблица теплового баланса.
Рис. 3.1 Схема двухходового кожухотрубчатого теплообменника
Таблица 3.1
Таблица теплового баланса
Стати прихода теплоты, (Вт) |
Статьи расхода теплоты, (Вт) |
1. С горячим теплоносителем:
2. С холодным теплоносителем:
|
1. С горячим теплоносителем:
2. С холодным теплоносителем:
|
|
|
Составление уравнения теплового баланса:
(3.1)
(3.2)
При расчете
теплового баланса в случае хорошей
тепловой изоляции теплообменного
аппарата величиной тепловых потерь
пренебрегают или принимают их равными
от теплоты, отдаваемой горячим
теплоносителем. Тогда уравнение 3.2
примет вид:
(3.3)
Для решения теплового баланса необходимо уметь рассчитывать энтальпию потоков теплоносителей на входе в аппарат и на выходе из него. Энтальпии потоков определяются их составом и агрегатным состоянием теплоносителей:
1. Энтальпия газов и жидкостей:
(3.4)
где
- удельная массовая теплоемкость газа
или жидкости (берется при соответствующей
температуре теплоносителя).
2. Энтальпия смеси рассчитывается по закону аддитивности:
(3.5)
где
- энтальпии индивидуальных веществ,
- массовые доли компонентов в смеси,
кг/кг.
3. Энтальпия насыщенных паров:
(3.6)
где
,
,
,
- соответственно теплоемкость конденсата,
температура кипения и энтальпия
конденсата.
4. Энтальпия перегретых паров:
(3.7)
где
- теплоемкость пара,
- температура перегретого пара.
5. Энтальпия смеси паров рассчитывается в соответствии с законом адитивности.
Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями можно найти из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей:
а) если агрегатное состояние теплоносителя не меняется:
(3.8)
где 1 – теплоноситель с большей средней температурой (горячий);
2 – теплоноситель с меньшей средней температурой (холодный);
б) при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата или при кипении:
(3.9)
в) при конденсации перегретых паров с охлаждением конденсата:
(3.10)
где
— энтальпия перегретого пара.
Если какой-либо технологический параметр, не указан в исходном задании (расход одного из теплоносителей или одна из температур), его можно найти с помощью уравнения теплового баланса для всего аппарата в целом, приравнивая правые части уравнений (3.7) — (3.10) для горячего и холодного теплоносителей.