Расчёт теплообменных аппаратов

Расчёт теплообменного аппарата может преследовать две цели.

Проверочный расчет проводят, чтобы узнать, как изменятся режимные параметры аппарата при изменении каких-либо начальных условий. Например, понижение температуры горячего теплоносителя на входе в аппарат неизбежно приведет к понижению температуры подогреваемого раствора на выходе. Чтобы этого не случилось, придется изменить производительность аппарата. Насколько уменьшится производительность аппарата в новых условиях, покажет проверочный расчет. Проектный расчет выполняют при проектировании нового аппарата, оптимально решающего задачу в поставленных условиях. Оба расчета используют одни и те же уравнения и различаются только в последовательности выполнения.

Проектный расчет теплообменного аппарата можно разделить на следующие этапы:

а) тепловой расчет — определение необходимой площади поверхности теплообмена;

б) конструктивный расчет — определение основных геометрических размеров аппарата и входящих в него узлов и деталей, включая расчеты на прочность;

в) гидравлический расчет — определение потерь напора при прохождении теплоносителей через аппарат. Если это необходимо, подбор насоса, обеспечивающего заданную скорость движения теплоносителя;

г) расчет тепловой изоляции;

д) расчет экономической эффективности.

В задании на проектирование обычно устанавливают производительность аппарата по нагреваемому или охлаждаемому продукту G2 кг/с, его начальную и конечную температуры t_2ни t_2к. Указывают также вид горячего или холодного теплоносителя и его начальные параметры. Если задание предполагает возможность выбора теплоносителя, следует проводить независимо расчет для каждого теплоносителя отдельно, а из полученных результатов выбрать наиболее экономичный вариант.

Как пример рассмотрим подробно последовательность прове­рочного расчета теплообменного аппарата. Пусть требуется установить коэффициент теплопередачи для одноходового кожухотрубного теплообменника, используемого для подогрева сахарного раствора концентрацией х % (по массе), в количестве G2 кг/с, от начальной температуры t2н до температуры t2к. В качестве горячего теплоносителя используют сухой насыщенный пар давлением p, Па. В аппарате установлены п латунных труб длиной 1 м с наружным и внутренним диаметром dн/dв м. Пар подается в межтрубное пространство. Конденсат из аппарата отводится при температуре конденсации. Процесс теплопередачи можно считать установившимся. Рассмотрим последовательно все этапы расчета.

1. Расчет коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенкам трубок.

Предварительно, по таблицам для сухого насыщенного пара, по заданному давлению пара p, Па находят его температуру tп,° С и скрытую теплоту парообразования r, Дж/кг. Предполагается, что давление пара при входе в аппарат не изменится и температура процесса конденсации будет равна температуре пара. Задаются перепадом температур на пленке конденсата и определяют температуру стенки трубы со стороны пара:

Средняя температура пленки конденсата:

Для этой температуры по таблицам физических свойств воды на­ходят характеристики пленки конденсата:

плотность теплопроводность динамический коэффициент вязкости Затем по формуле Кутателадзе рассчитывают коэффициент теплоотдачи:

2. Расчет коэффициента теплоотдачи от стенок труб к сахарному раствору.

Расчитывают скорость движения раствора по трубам воспользовавшись уравнением расхода:

Здесь — плотность с

ахарного раствора при концентрации х % (по массе), ее находят по справочным таблицам в зависимости от средней температуры, кг/м ³. Рассчитывают критерий Рейнольдса для сахарного раствора

где v — кинематический коэффициент вязкости сахарного раствора при концентрации х % (по массе) и средней температуре, м²/с. В зависимости от значения Re и режима движения жидкости в табл. выбирают соответствующее уравнение для расчета критерия Нуссельта. Как и ранее, значения физических величин, входящие в критерии Прандтля и Грасгофа, устанавливают по справочным таблицам при средней температуре раствора. Разность температур, входящую в критерий Gr, рассчитывают как разность между температурой стенки tст_. и средней температурой раствора. Снижением температуры при прохождении теплоты через стенку на данном этапе расчета можно пренебречь. Далее рассчитывают коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору:

3. Расчет коэффициента теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи для трубы

находят по уравнению

а коэффициент теплопередачи

получают пересчетом по уравнению:

4. Расчет средней разности температур.

Строят температурную диаграмму и определяют и (°С).

Сравнивают полученные величины и рассчитывают (°С).

5. Проверка принятого перепада температур на пленке конденсата

Действительное для данных расчетных условии значение пере­пада температур можно получить, приравнивая количество теплоты, передаваемой от конденсирующего пара к стенке (закон теплоотдачи Ньютона), к количеству теплоты, передаваемой от пара к раствору:

Приравнивая правые части, получим .

Если полученное значение отличается от принятого ранее , расчет повторяют, подставляя в формулу Кутателадзе новое значение . Расчет повторяют до тех пор, пока расхождение в значениях задаваемого и проверочного не будет выходить за пределы установленной точности, после чего окончательно рассчитывают k_l и k. В данном расчете использован метод последовательных приближений. Подобные расчеты целесообразно осуществлять на ЭВМ. Электрические нагреватели, их устройство и принцип действия. С помощью электрических нагревателей можно проводить нагревание в широком диапазоне температур, легко регулировать и точно поддерживать заданный температурный режим. Электронагреватели просты по конструкции, компактны и удобны в обслуживании. Однако широкое использование их сдерживается высокой стоимостью электроэнергии.Известно несколько способов превращения электрической энергии в теплоту: нагрев при прохождении тока через электрические сопротивления; индукционный нагрев; нагрев токами высокой частоты; нагрев электрической дугой.С первым способом нагрева вследствие выделения теплоты при прохождении электрического тока через проводник, имеющий значительное сопротивление, каждый знаком с детства. Так работают все бытовые электронагреватели — от утюга и самовара до кондиционера воздуха. В промышленных аппаратах используют более мощные трубчатые электронагревательные элементы, называемые тэнами. Нагрев с помощью токов высокой и сверхвысокой частоты применяют при обработке материалов, не проводящих электрический ток, — диэлектриков. Молекулы такого материала, помещенного в переменное электрическое поле, начинают колебаться с частотой поля. При этом совершается работа трения между молекулами, сопровождаемая равномерным выделением теплоты непосредственно внутри материала. Этот способ нагрева используют в некоторых случаях сушки, а также в обжарочных аппаратах, известных под названием «гриль». С помощью токов сверхвысокой частоты можно осуществить пастеризацию вина, пива и других напитков. Способ нагрева токами высокой частоты связан с необходимостью использования сложной аппаратуры для преобразования про­мышленной частоты переменного тока 50 Гц в частоту от 10 до 100 МГц и более. Эти устройства имеют сравнительно невысокий КПД и дороги в эксплуатации.Индукционный нагрев основан на использовании теплового эффекта, вызываемого вихревыми токами Фуко, возникающими непосредственно в стенках стального нагреваемого аппарата. Этот способ нагрева, как и нагрев электрической дугой, в пищевой промышленности практически не применяют.