2. Основы теплового расчета

Тепловой расчет теплообменного аппарата сводится к совместному решению уравнений теплового баланса:

Q₁ = Q₂ + ∆Q (1)

уравнения теплопередачи:

Q₁ = K* ∆t* F (2)

∆Q, Вт - потери тепла в окружающую среду;

K, Вт/ (м² ºС) - средний коэффициент теплопередачи;

ºС - средний температурный напор (средняя разность температур) между теплоносителями;

F, м² - расчетная поверхность теплообмена;

Часто принимают ∆Q=Q и тогда Q₁=Q₂=Q (3)

1. Тепловой поток q

Уравнение теплового баланса можно записать в следующем виде:

Q = G₁Ср₁(t’₁ – t”₁) = G₂Сp₂(t”₂-t’₂) (4)

где G₁, кг/с - массовый расход греющего теплоносителя;

G₂, кг/с - массовый расход нагреваемого теплоносителя;

Ср₁, Сp₂, Дж/ (кг ºС) - средние удельные массовые теплоемкости теплоносителей 1 и 2 соответственно;

t’₁, t’₂ , ºС - температуры греющего теплоносителя на входе и выходе соответственно;

t”₁, t”₂, ºС - температуры нагреваемого теплоносителя на входе и выходе, соответственно

Уравнение теплового баланса позволяет, например, опреде­лить температуру греющего теплоносителя на выходе:

;

когда Q подсчитано по второй части уравнения (4)

2. Средний температурный напор между теплоносителями

Целью проектного расчета является определение поверхности теплообмена по уравнению (2), что требует знание среднего температурного напора. Величина напора зависит от направления дви­жения теплоносителей в теплообменниках. На рис.1 показаны схемы движения теплоносителей в теплообменниках; а-прямоток, б-противоток, в-перекрестный ток, г-смешанная схема, д-многократный перекрестный ток.

При прямотоке (рис. 2а) конечная температура нагреваемого теплоносителя всегда меньше конечной температуры греющего теплоносителя. При противотоке (рис. 26) конечная температура наг­реваемого теплоносителя может быть больше конечной температуры греющего теплоносителя, т.е. схема противотока эффективнее схе­мы прямотока.

Средний температурный напор для прямотока и противотока рас­считывается по формуле:

(5)

где ∆t_б - большая разность температур между теплоносителями;

∆t_м - меньшая разность температур.

Для прямотока (рис.2):

_, (6)

а для противотока

_, (7)

Когда ∆t_б/∆t_м≤1,7; то вместо формулы (5) можно пользоваться формулой

(8)

Чем больше средний температурный напор, тем меньше необ­ходимая поверхность нагрева, тем меньше металлоемкость теплообменника. При одинаковых условиях:

(9)

где средние температурные напоры при прямотоке, противотоке и сложных схемах движения теплоносителей (рис.1-в,г,д) соответственно.