Уравнение теплового баланса

При работе теплообменных аппаратов в результате теплообмена происходит уменьшение энтальпии горячего теплоносителя и повышение энтальпии холодного теплоносителя.

Методика определения количества отданного и поглощенного тепла (тепловой нагрузки) зависит от агрегатного состояния теплоносителей.

Так, при нагревании и охлаждении без изменения агрегатного состояния теплоносителя уравнение теплового баланса для непрерывных процессов имеет вид:

, (2.3)

где G₁, G₂ – количество горячего и холодного теплоносителей, проходящих через аппарат за единицу времени (кг/с);

c₁, с₂ – удельная теплоемкость горячего и холодного теплоносителей, Дж/(кг ·К);

t₁^н, t₁^к – начальная и конечная температуры горячего теплоносителя, °С;

t₂^н, t₂^к – начальная и конечная температуры холодного теплоносителя, °С;

Q_пот – потери тепла в окружающую среду за единицу времени, Вт.

При нагревании жидкости или газа сухим насыщенным паром уравнение теплового баланса имеет вид:

, (2.4)

где D – количество пара, прошедшего через аппарат, кг/с;

r – удельная теплота парообразования, Дж/кг.

2.3.3 Теплоотдача без изменения агрегатного состояния
теплоносителя

При вынужденном (принудительном) движении теплоносителя (жидкость или газ) коэффициент теплоотдачи определяется из критериального уравнения, имеющего общий вид:

Nu = f (Re, Gr, Pr). (2.5)

Для расчета выбирается критериальное уравнение в зависимости от режима движения теплоносителя в аппарате.

Для теплоносителя внутри прямых вертикальных труб при ламинарном режиме (Re<2300):

Nu = 0,7 (Re Pr)^0,2 (Gr Pr)^0,1; (2.6)

при переходном режиме (2300<Re< 10000):

Nu = 0,008 Re^0,9 Pr^0,43; (2.7)

при турбулентном режиме (Re> 1 0000):

Nu = 0,023 Re^0,8 Pr^0,4. (2.8)

Критерий Рейнольдса Re характеризует режим движения теплоносителя:

, (2.9)

где – коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

– определяющий размер аппарата, м.

Критерий Нуссельта Nu характеризует интенсивность теплообмена:

, (2.10)

где – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м² ·К).

По приведенным формулам подсчитывают значение критериев, а затем по выбранному в зависимости от режима движения критериальному уравнению определяют критерий Нуссельта Nu. По найденному критерию Нуссельта рассчитывают коэффициент теплоотдачи.