Тепловий розрахунок.

Розрахунок теплообмінних апаратів

Основним завданням під час розрахунку теплообмінної апаратури є визначення необхідної поверхні теплообміну за заданих витрат, початкової і кінцевої температури теплоносіїв.

Під час розрахунку трубчастих теплообмінників необхідно вибрати найбільш доцільну схему напрямку руху теплоносіїв, а також який з теплоносіїв має рухатись трубним, а який між трубним простором. Теплоносій з меншою витратою або з більшою в‘язкістю рекомендується направляти в той простір, де його швидкість буде більшою (трубний), а також якщо він містить тверді домішки і забруднення (для полегшення очистки поверхні теплообміну); теплоносії, що містять хімічно-активні речовини і які є під надлишковим тиском. Крім цього, скерування гріючого теплоносія в труби зменшує втрати тепла в оточуюче середовище.

Швидкості теплоносіїв повинні бути оптимальними – поєднання інтенсивного перенесення тепла і помірної витрати енергії, з врахуванням того, що бажаний турбулентний режим руху теплоносіїв.

1. Визначення теплового навантаження і витрати теплоносіїв.

Теплове навантаження визначають за рівнянням теплового балансу

у разі зміни агрегатного стану

Якщо витрати теплоносіїв не задані, то їх визначають з цих рівнянь, або невідому температуру одного з теплоносіїв. Якщо невідомі кінцеві температури обох теплоносіїв, то ними задаються, приймаючи, що різниця між ними становить не менше 3-5 ⁰С.

2. Визначення середньої різниці температур і середніх температур теплоносіїв.

Враховуючи напрям руху теплоносіїв , середню різницю температур визначають

За відношення різниці температур теплоносіїв на кінцях теплообмінника Dt/Dt<2

3. Визначення коефіцієнта теплопередачі і поверхні теплообміну

Для визначення коефіцієнта теплопередачі К необхідно попередньо розрахувати коефіцієнти тепловіддачі з обох боків стінки, а також її термічний опір, на якій під час роботи апарату утворюється шар забруднень. Коефіцієнти розраховують за критеріальними рівняннями, наведеними вище, залежно від умов проведення процесу теплообміну.

Для розрахунку α в деяких випадках необхідно знати температуру стінки або питоме теплове навантаження, значення яких залежать від визначуваного значення α. В таких випадках коефіцієнти тепловіддачі розраховують методом послідовних наближень: значеннями температури стінки і теплових навантажень задаються і після визначення коефіцієнта теплопередачі К перевіряють їх.

Термічний опір стінки і забруднень знаходять залежно від товщини стінки і товщини шару забруднень (за практичними даними), а також від значень коефіцієнтів теплопровідності матеріалу стінки і забруднень.

У разі перенесення тепла через плоску стінку або тонку циліндричну, то К визначають за рівнянням

де - сума термічних опорів стінки і забруднень.

За відомим значенням К визначають поверхню теплообміну із основного рівняння теплопередачі

3.2.Конструктивний розрахунок

Для кожухотрубних теплообмінників він полягає у визначенні кількості і довжини труб, розміщених у трубній решітці ( з врахуванням кількості ходів) і знаходженні основних розмірів апарата (діаметра і висоти), а також діаметрів патрубків штуцерів теплообмінника.

Кількість труб n і довжина пов‘язані між собою залежністю

де d_р – розрахунковий діаметр труби.

За цим рівнянням визначають необхідну довжину труб і заокруглюють її до найближчої більшої величини, передбаченої стандартом або нормалями.

Для визначення внутрішнього діаметра кожухотрубного теплообмінника використовують рівняння

де s – крок між трубами (s = 1,2-1,5·d_з); b = (2 · а – 1) – кількість труб, розміщених на діагоналі найбільшого шестикутника за шахового розміщення труб); d _з – зовнішній діаметр труби.

Діаметри патрубків штуцерів визначають з рівнянь витрати.

3.3.Гідравлічний розрахунок теплообмінників

Гідравлічний опір з врахуванням втрат напору на тертя і місцеві опори (розширення, звуження потоку і його повороти між ходами) знаходять за рівнянням :