Тепловой расчет ТА

4.3.1. Цель и порядок расчёта.

Цель заключается:

1)определение поверхности теплообмена при заданных расходах, температурах теплоносителей;

2) определение конечной температуры при заданных начальных, известной поверхности теплообмена и коэффициенте теплопередачи.

Порядок расчёта:

1. Пpeдвapитeльное определение ориентировочной поверхности теплообмена, выбор стандартного ТА по ГОСТу (либо проектирование собственной конструкции).

2. Выбор путей движения каждого из теплоносителей в трубное или межтрубное пространство.

3. Расчет скоростей движения каждого из теплоносителей в рабочих пространствах и определение режимов движения.

4. Определение температурного режима ТА, (т.е.определение средней движущей силы теплообмена (D t_ср).

5. Определение коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи ТА.

6. Определение температуры стенки.

Дано: расход горячего теплоносителя, [кг/с] (или V – [м³/с]) .

В общем случае в теплообменнике можно выделить три зоны:

1 – зона охлаждения паров до t конденсации;

П – зона конденсации;

Ш – зона переохлаждения конденсата (охлаждения жидкости).

Рис.

Пpeдвapитeльное определение ориентировочной поверхности теплообмена.

1) Определим тепловую нагрузку теплообменника (вт)

(4.1)

(4.2)

(4.3)

где t_конд – температура конденсации (испарения) при рабочем давлении, С_п, С_ж – теплоемкости пара и жидкости (конденсата); i_n, i_ж – энтальпия пара и жидкости; r – скрытая теплота парообразования (конденсации) – выбираются по справочникам.

2) Тепловой баланс

(4.4)

Q_п потери тепла, h=0, 92¸ 0, 98.

3) При расчете в большинстве случаев принимают . Определяем расход холодного теплоносителя:

.

4)Определяем промежуточные температуры холодного теплоносителя по зонам.

.

5)Определяем среднюю движущую силу. При

(4.5)

При

(4.6)

Формулы (4.5) и (4.6) применяются для прямотока и противотока.

Для перекрестного и смешанного тока

(4.7)

- поправочный коэффициент (выбирается по справочникам).

Для каждой зоны определяем

.

6)По справочникам для каждой зоны соответствующему виду теплообмена выбираем коэффициенты теплопередачи: К_1, К₂, К₃.

7)Определяем поверхность теплообмена из основного уравнения теплопередачи.

(4.8)

. (4.9)

- предварительно определенная поверхность теплообмена.

При проектировании новых производств и реконструировании действующих следует отдавать предпочтение стандартизированной теплообменной аппаратуре.

Применение не типовых аппаратов допускается только в технически обоснованных случаях.

8)Выбираем стандартный теплообменник (по ГОСТу), либо проектируем собственной конструкции с .

Проводим полный тепловой расчет (на примере кожухотрубчатого теплообменника).

Известно: - диаметр теплообменных труб; - длина труб (теплообменника); - диаметр аппарата; - число труб в трубном пучке; - число труб в одном ходе пучка; - число ходов по трубному пространству; - число ходов по межтрубному пространству; - площадь проходного сечения трубного пространства; - площадь проходного сечения в вырезе перегородки; - площадь проходного сечения межтрубного пространства на уровне выреза перегородки.

9)Выбираем рабочие пространства, трубное или межтрубное, по которому пойдет каждый теплоноситель.

10)Рассчитываем для каждого теплоносителя определяющую температуру, при которой для расчета берутся теплофизические свойства.

Для

(и для трубных пучков)

(4.10)

Для

.

Или: при

.

При

.

Какая температура принимается за определяющую указывается для каждого частного случая теплообмена (по справочнику).

В большинстве случаев принимается средняя температура, ур-е (4-10).

11)Определяем скорости движения теплоносителей в каждом рабочем пространстве.

;

в трубах ;

в межтрубном пространстве .

Рекомендуемые скорости в технологических системах:

жидкости и растворы - до 3 м/с;

пары (при конденсации) - до 10 м/с;

газы - до 25 м/с.

12)Определяем режимы движения по значению числа Re

.

- живое (проходное) сечение межтрубного пространства;

;

П – смоченный периметр межтрубного пространства .

13)Соответственно режимам движения выбираем расчетные уравнения для 2320< Re – ламинарный режим;

для 2300< Re < 10000 – переходной режим;

для Re> 10000 – турбулентный режим.

В общем случае

. (4.11)

14)По выбранному расчетному уравнению рассчитываем значение числа подобия Nu.

15)Так как (4.12)

где l - теплопроводность соответствующего теплоносителя.

По уравнениям (4.12) определяем и (то есть a_г и a_х либо a₁, a₂).

16)Определяем коэффициент теплопередачи К.

- термическое сопротивление теплопередаче;

- термическое сопротивление теплоотдаче;

- термическое сопротивление стенки трубы.

(4.13)

.

- толщина стенки трубы;

- коэффициент теплопроводности материала трубы;

- термическое сопротивление загрязнений (по справочнику).

17)Определяем поверхность теплообмена из основного уравнения теплопередачи ( определена в пункте 5).

, (5-15 %) (4.15)

Если соблюдается условие (4.15), то расчет окончен и оставляется предварительно выбранный теплообменник.

Если не соблюдается условие (4.15) необходимо делать пересчет (второе приближение).

По выбирается другой стандартный теплообменник (либо проектируется новый) и далее повторяется расчет п.п.9 – п. 17

Определение температуры стенки.

Действительная температура стенки определяется по нагрузочной характеристике теплообменника. Нагрузочную характеристику теплообменника строят следующим образом. Для одной из поверхностей стенки, например со стороны горячего теплоносителя, задаются рядом значений температур , лежащих внутри интервала температур . Для этих значений температур на поверхности стенки вычисляют с помощью критериальных зависимостей значения коэффициентов теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и находят соответствующие значения плотности тепловых потоков от горячего теплоносителя к стенке как

- плотность теплового потока

(4.16)

По величине термического сопротивления стенки рассчитывают ряд значений температуры стенки со стороны холодного теплоносителя как

. (4.17)

для найденных таким образом значений температур с помощью критериальных зависимостей, вычисляют значения коэффициентов теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю и находят соответствующие значения плотности тепловых потоков от стенки к холодному теплоносителю как

(4.18)

Рис. Нагрузочная характеристика теплообменника.

Совмещенный график зависимостей и , изображенный на рисунке и представляет собой нагрузочную характеристику теплообменника. Очевидно, что для установившегося процесса теплопередачи должно соблюдаться условие , поэтому точка пересечения кривых определяет действительную плотность теплового потока в установившемся режиме работы теплообменника и действительную температуру на поверхности стенки со стороны горячего теплоносителя . Зная эту температуру, можно с помощью критериальных уравнений вычислить значения коэффициентов теплоотдачи и по уравнению (4.13) рассчитать величину коэффициента теплопередачи. Так как нагрузочная характеристика позволяет определить не только действительную температуру стенки, но и действительную плотность теплового потока, то при графическом методу расчетное значение коэффициента теплопередачи можно определить и как

. (4.19)