Расчет теплообменного аппарата базируется на двух основных зависимостях:

• уравнение теплового баланса;

• уравнение теплопередачи.

Уравнение теплового баланса

где - тепловой поток от горячего теплоносителя к холодному;

- расходы теплоносителей;

-температура горячего теплоносителя соответственно на входе и выходе из теплообменника;

температура холодного теплоносителя соответственно на входе и выходе из теплообменника;

средняя удельная массовая изобарная теплоёмкость соответственно горячего и холодного теплоносителя.

Уравнение теплопередачи

Где Q - тепловой поток от горячего теплоносителя к холодному;

K - коэффициент теплопередачи;

F- поверхность теплообмена;

t – температурный напор между теплоносителями.

Температура теплоносителей изменяется в процессе теплообмена по длине теплообменника (см. рис. 2), поэтому, чтобы учесть это, в качестве t в уравнении теплопередачи используется среднелогарифмический температурный напор

Где t_Б и t_М – соответственно наибольшая и наименьшая разности граничных температур теплоносителей.

Эта формула справедлива как для противотока, так и для прямотока.

Рис. 2. Характер изменения температуры теплоносителей по длине теплообменника

При расчете теплообменных аппаратов обычно могут возникнуть две основные задачи:

1. При заданных параметрах потоков на входе и выходе из аппарата и типе теплообменной поверхности требуется определить необходимую поверхность теплообмена и выполнить конструктивную разработку аппарата. Эта задача характерна для конструкторского расчета.

2. Для реально существующего аппарата при заданных параметрах потоков на входе определить количество передаваемой теплоты и параметры потоков на выходе из аппарата. Эта задача характерна для поверочного расчета.

2. Задание

Определить поверхность теплообмена и необходимое количество секций теплообменного аппарата типа «труба в трубе». Горячий теплоноситель (вода, масло) движется по внутренней стальной трубе с соотношением диаметров d₂/d₁. Температура горячего теплоносителя на входе в теплообменник t₁, а его расход равен m₁. Холодный теплоноситель (вода, масло) движется по кольцевому каналу между трубами и нагревается от температуры t₂ до t₂. Внутренний диаметр внешней трубы D. Расход холодного теплоносителя m₂. Расчет выполнить для прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей и сравнить их эффективность. Потерями теплоты от теплообменника в окружающую среду пренебречь. Варианты заданий приведены в Приложении 1.

Примечание:

Индексы 1 и 2 относятся соответственно к горячему и холодному теплоносителям. Индексы и  характеризуют параметры теплоносителей соответственно на входе и выходе.

3. Основные расчетные зависимости и последовательность расчета

1. Определяется количество передаваемой теплоты

2. Определяется температура горячего теплоносителя у выхода из аппарата

В первом приближении значение удельной массовой изобарной теплоёмкости горячего теплоносителя C_P1 принимается при температуре t₁, а затем t₁ уточняется, принимая C_P1 при температуре

Для определения t₁ достаточно ограничиться двумя приближениями.

3. По таблицам (см. Приложения 2, 3, 4) определяются теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей при соответствующих средних температурах

Горячий теплоноситель

, ºС

Плотность - ₁, кг/м³

Удельная массовая изобарная теплоёмкость - C_P1, кДж/кгград

Коэффициент теплопроводности - ₁, Вт/мград