7

1.2 Проектирование рекуперативных теплообменных аппаратов

Тепловой расчет теплообменного аппарата может быть конструктивным

и поверочным.

Вслучае конструктивного расчета задано:

−тепловая нагрузка аппарата Q, кВт;

−температура горячего теплоносителя на входе t'1 и выходе t''1;

−температура холодного теплоносителя на входе t'2 и выходе t''2. Требуется найти:

−поверхность теплообмена F и все геометрические размеры.

Вслучае поверочного расчета задано:

−поверхность теплообмена F и все геометрические размеры;

−расходы горячего G1 и холодного теплоносителей G2;

−температура горячего теплоносителя на входе t'1;

−температура холодного теплоносителя на входе t'2.

Требуется найти:

− тепловую нагрузку аппарата Q, кВт;

−температура горячего теплоносителя на выходе t''1;

−температура холодного теплоносителя на выходе t''2.

1.2.1Общая схема теплотехнического расчета рекуперативных теплообменных аппаратов

Выбирается тип теплообменного аппарата (теплообменник, холодильник, конденсатор, испаритель).

Воснове расчета лежат два уравнения:

−уравнение теплового баланса;

−уравнение теплопередачи.

Уравнение теплового баланса формируется из двух частей, каждая из которых представляет выражение тепловой нагрузки Q для данного вида теплоносителя:

8

а) если агрегатное состояние теплоносителя не меняется:

где Gi - массовый расход теплоносителя; срi - средняя массовая изобарная теплоемкость теплоносителя; tiн и tiк температура теплоносителя на входе в аппарат и выходе из него;

б) при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата или

где ri - теплота фазового перехода теплоносителя (конденсации или парообразования);

в) при конденсации перегретых паров и охлаждении конденсата:

кость и температура конденсата на выходе из теплообменника.

Тепловые потери теплообменником в окружающую среду при наличии теплоизоляции незначительны, поэтому в уравнениях (1.1) – (1.3) они не учитывались.

Один какой-либо технологический параметр, не указанный в исходном задании (расход одного из теплоносителей или одна из температур), можно найти с помощью уравнения теплового баланса для всего ТА в целом, приравнивая правые части уравнений (1.1) – (1.3) для горячего и холодного теплоносителей.

Уравнение теплопередачи для случая конструктивного расчета решается

9

В аппаратах с прямоили противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей ∆tб и меньшей ∆tм разностями температур теплоносителей на концах аппарата

При сложном взаимном движении теплоносителей, например при смешанном или перекрестном токе, ∆tср можно рассчитать, вводя поправку ε∆t к сред-

нелогарифмической разности температур для противотока ∆tср =ε∆t ∆tср лог . Эту

поправку для наиболее распространенных схем взаимного направления движения теплоносителей можно рассчитать теоретически или определить по графи-

кам [5].

Для определения поверхности теплопередачи и выбора варианта конструкции теплообменного аппарата необходимо определить коэффициент теплопередачи. Его можно рассчитать с помощью уравнения аддитивности термических сопротивлений на пути теплового потока:

Однако на этой стадии расчета точное определение коэффициента теплопередачи невозможно, так как α1 и α2 зависят от параметров конструкции рассчитываемого теплообменного аппарата. Поэтому сначала на основании ориентировочной оценки коэффициента теплопередачи приходится приближенно определить поверхность и выбрать конкретный вариант конструкции, а затем

10

провести уточненный расчет коэффициента теплопередачи и требуемой поверхности.

Сопоставление ее с поверхностью выбранного нормализованного теплообменника дает ответ на вопрос о пригодности выбранного варианта для данной технологической задачи. При значительном отклонении расчетной поверхности от выбранной следует перейти к другому варианту конструкции и вновь выполнить уточненный расчет. Число повторных расчетов зависит главным образом от степени отклонения ориентировочной оценки коэффициента теплопередачи от его уточненного значения. Многократное повторение однотипных расчетов предполагает использование ЭВМ.

Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи и тепловая проводимость загрязнений стенок приведены в таблицах 1.2 и 1.3, соответственно.

Таблица 1.2 – Ориентировочные значения коэффициента теплопередачи

11

Трудоемкость таких расчетов несколько снижается, если из опыта известна оптимальная область гидродинамических режимов движения теплоносителей вдоль поверхности для выбранного типа конструкции (при таком ограничении уменьшается число возможных вариантов решения задачи).

В любом случае, особенно при использовании ЭВМ, легко можно получить несколько конкурентоспособных вариантов решения технологической задачи. Дальнейший выбор должен быть сделан на основе техникоэкономического анализа по тому или и ному критерию оптимальности.

Схема расчета рекуперативных теплообменных аппаратов приведена на рисунке 1.2.

Основные геометрические характеристики некоторых конструкций теплообменных аппаратов, необходимые для уточненного определения требуемой поверхности и гидравлического сопротивления выбранного теплообменника, приведены в таблицах 1.4 – 1.7.

13

Таблица 1.4 – Параметры кожухотрубчатых теплообменников и холодильников

(по ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79 и ГОСТ 15122-79)

14

Таблица 1.5 – Параметры кожухотрубчатых теплообменников и конденсаторов с пла-

вающей головкой (по ГОСТ 14246-79 и ГОСТ 14247-79)