2018-03-09
128
[3], с.213.,.247; [4], с.66.,.78
4.2.1. Определяют тепловую нагрузку Q теплообменного аппарата в соответствии с заданными условиями. Тепловой поток, необходимый для нагрева или охлаждения заданного расхода теплоносителя, равен:
,
| где | 
| - | расход теплоносителя, кг/с |
| - | удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг-К); | |
| - | начальная и конечная температуры теплоносителя, °С. |
Обычно с индексом «1» обозначают параметры более горячего теплоносителя.
На основании уравнения теплового баланса Q 1= Q 2определяют расход другого теплоносителя. При изменении агрегатного состояния расход теплоносителя определяется из уравнения
| где | 
| - | расход конденсирующегося пара, кг/с |
| - | удельная теплота конденсации греющего пара, Дж/кг. |
При известном расходе обоих теплоносителей из уравнения теплового баланса может быть рассчитана, например, температура 
, до которой нагревается охлаждающий агент.
При неизвестных конечных температурах их значения задаются, при этом разность на концах теплообменника должна составлять не менее 5°С (К) для обеспечения достаточной движущей силы теплопередачи. Температуру охлаждающей воды принимают в интервале 10...20°С.
|
|
|
4.2.2. Определяют среднюю разность температур теплоносителей при противоточном их направлении как среднелогарифмическую величину между большей 
и меньшей 
разностями температур теплоносителей на концах теплообменного аппарата
Если эти разности температур отличаются не более чем в два раза, то среднюю разность температур можно определить как среднеарифметическую между ними
.
В аппаратах со сложным взаимным движением теплоносителей, например при смешанном или перекрестном токе, в формулу расчета 
ддя противотока вводят поправку 
[3,4].
4.2.3. Определяют средние температуры теплоносителей. Для теплоносителя, температура которого изменяется меньше, средняя температура определяется как среднеарифметическая между начальной и конечной температурами
.
Тогда значение средней температуры другого теплоносителя можно получить, используя среднюю разность температур:
При изменении агрегатного состояния теплоносителя его температура постоянна вдоль всей поверхности теплопередачи и равна температуре кипения (или конденсации), зависящей от давления и состава теплоносителя.
4.2.4. Предварительно определяют ориентировочно ожидаемую площадь поверхности теплопередачи Fopпо уравнению теплопередачи:
,
где Кoр - ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, полученное практически для различных случаев теплообмена [3], Вт/(м2*К).
Из нескольких теплообменных аппаратов, имеющих площадь поверхности теплопередачи, близкую к Fop, следует в качестве первого варианта выбрать такой, который будет иметь необходимое значение критерия Рейнольдса или скорости потока в трубном пространстве:
|
|
|
,
| где | 
| - | ориентировочное значение критерия Рейнольдса; |
| - | cоответственно вязкость, мПа-с, и плотность, кг/м, теплоносителя в трубном пространстве | |
| d | - | внутренний диаметр труб теплообменника, м |
Для развитого турбулентного режима течения в трубках теплообменника следует принять Reop = 10000...15000. Ламинарному режиму движения соответствует Reop<2300.
Ориентировочное сечение трубного пространства 
для обеспечения желаемого режима движения теплоносителя в трубном пространстве равно:
,
| где | 
| - | массовый расход теплоносителя, направляемого в трубное пространство, кг/с. |
При этом число труб, приходящееся на один ход, составит
,
| где | n | - | общее число труб теплообменника; |
| z | - | число ходов в трубном пространстве. |
На основании расчетов Fop, Soр, n/z, обеспечивающих заданный режим, по каталогу [4] выбирают вариант конструкции одноходового или многоходового кожухотрубчатого теплообменника.
4.2.5. Для выбранного варианта определяют скорость и число Рейнольдса для потоков теплоносителей в трубах и в межтрубном пространстве и рассчитывают уточненный коэффициент теплопередачи
| где | 
| - | - коэффициенты теплоотдачи, 
|
| - | термические сопротивления загрязнений стенки, 
| |
| теплопроводность материала стенки,
| ||
| толщина стенки, м | ||
| суммарное термическое сопротивление стенки и ее загрязнений с обеих сторон,
|
Расчет коэффициентов теплоотдачи производится по критериальным уравнениям, выбираемым в справочной литературе в зависимости от вида теплоотдачи, режима движения теплоносителя, формы теплообменной поверхности. Расчетные уравнения для основных видов теплоотдачи представлены в [1...4]. Для каждого расчетного уравнения указано, какая температура принимается за определяющую. Физико-химические свойства теплоносителей, необходимо брать при определяющей температуре.
Составляют схему теплопередачи [3]. В большинстве случаевкоэффициенты теплоотдачи зависят от температуры соприкасающейся с теплоносителем поверхности стенки tCT или от удельной поверхностной плотности теплового потока q, которые заранее неизвестны. В этих случаях при расчете процесса теплопередачи используют метод последовательных приближений. При этом исходят из условия, что при установившемся процессе теплопередачи количество тепла q 1, отдаваемое более горячим теплоносителем, должно равняться количеству тепла qст, передаваемого через стенку и загрязнения, и количеству тепла q 2, получаемого более холоднымтеплоносителем:
| где | 
| - | |
| - | ||
| - | ||
| - | средние значения температуры горячего и холодного теплоносителей, °С; | |
| - | температура наружной поверхности загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей. |
В первом приближении задаются произвольным значением 
, учитывая, что 
. По выбранному критериальному уравнению рассчитывают 
и вычисляют 
. Затем определяют первое приближение 
. Определив 
, рассчитывают 
и вычисляют 
.Далее следует сопоставить величины 
и 
, определив их расхождение. Если расхождение составляет более 5%, то задают значение температуры стенки со стороны горячего теплоносителя 
и выполняют расчет во второмприближении. Если 
, расчет повторяется, пока не достигнуто 
. Для упрощения расчетов используют графический метод [3,4]. По данным последнего расчета определяют коэффициент теплопередачи К.
4.2.6. На основании основного уравнения теплопередачи определяют расчетную площадь поверхности теплопередачи Fp. По каталогу выбирают теплообменный аппарат с поверхностью теплообмена 
. В том случае, если необходимо устанавливать не один теплообменник, а несколько, их следует компоновать с последовательным движением потоков, чтобы не изменять принятые в расчете режимы движения.
|
|
|
4.2.7. При ориентировочном расчете теплообменника рассчитывают его тепловую нагрузку Q, среднюю разность температур 
. Пользуясь справочными данными [3], выбирают ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, и из основного уравнения теплопередачи вычисляют поверхность теплообмена. Выбирают теплообменный аппарат по ГОСТ с запасом поверхности.
