Поверхневого теплообмінника

Тепловий розрахунок на прикладі рекуперативного

Теплообмінні апарати

Лекція 17

Основи теплового розрахунку теплообмінних апаратів. Класифікація, призначення і схеми теплообмінних апаратів. Конструкторський і перевірочний теплові розрахунки теплообмінників. Середній температурний напір.

Теплообмінник – пристрій для підігріву (охолодження) одного рухомого середовища за рахунок вищої (нижчої) температури іншого рухомого середовища.

За способом передачі теплоти усі теплообмінники поділяються на два типи:

1. Контактні (змішувальні), де передача теплоти від гарячого до холодного теплоносія здійснюється при безпосередньому контакті молекул гарячого і холодного теплоносія (скрубери, градирні).

2. Поверхневі, в яких передача теплоти від гарячого до холодного теплоносія здійснюється через теплопередаючу поверхню.

Поверхневі теплообмінники можна розділити на три види:

a) ємкісні поверхневі, в яких об’єм або площа поверхні гарячого тіла (теплоносія) значно менші ніж об’єм підігріваємого тіла (електричний чайник);

b) поверхневі теплообмінники регенеративного типу, в яких гарячий і холодний теплоносії по черзі омивають одну і ту ж теплоємкісну поверхню;

c) рекуперативні поверхні теплообмінники, в яких передача теплоти від гарячого теплоносія до холодного здійснюється через теплопередаючу поверхню (швидкісні теплообмінники для приготування гарячої води, випарювачі, конденсатори, радіатори систем охолодження і т. д).

Основні положення зберігаються для теплового розрахунку теплообмінників інших типів і різновидів. Розрізняють конструктивний тепловий розрахунок, мета якого по відомих кількостях передачі теплоти і температурах теплоносіїв на вході в теплообмінник і виході з нього визначити площу поверхні теплопередачі . Розрізняють також перевірочний розрахунок в якому по відомій площі поверхні теплопередачі визначають кількість теплоти, що передається від гарячого теплоносія до холодного і температури теплоносіїв на вході в теплообмінник і виході.

В основі теплових розрахунків є наступні рівняння.

1. Рівняння теплових балансів теплоносіїв. Кількість теплоти, що віддає в теплообміннику гарячий теплоносій рівна кількості теплоти, яку отримує в теплообміннику холодний теплоносій

де масові витрати гарячого і холодного теплоносіїв, кг/с; ентальпії гарячого теплоносія на вході в теплообмінник і виході із нього, Дж/кг; ентальпії холодного теплоносія на виході із теплообмінника і вході в нього, Дж/кг;

Індекс 1 – гарячий теплоносій. Індекс 2 – холодний теплоносій. Показник ‘ – параметри на вході. Показник ” – параметри на виході з теплообмінника.

При відсутності фазових перетворень теплоносіїв попереднє рівняння матиме вигляд

питомі ізобарні теплоємності гарячого і холодного теплоносіїв при p=const, Дж/(К·кг); температури гарячого теплоносія на вході в теплообмінник і виході із нього; температури холодного теплоносія на виході із теплообмінника і вході в нього.

2. Рівняння теплопередачі, зміст якого полягає в тому, що теплота, яка передається теплопередачею від гарячого до холодного теплоносія в теплообміннику через теплопередачу поверхню, рівна кількості теплоти, що віддає гарячий теплоносій і рівна кількості теплоти, що отримує холодний

,

де коефіцієнт теплопередачі від гарячого до холодного теплоносія через теплопередаючу поверхню, Вт/(м²·К); площа поверхні теплопередачі, м², шукана величина в тепловому конструктивному розрахунку теплообмінника; середньоарифметичний або середньологарифмічний температурний напір між гарячим і холодним теплоносіями через теплопередаючу поверхню.

Розглянемо дві схеми рухів теплоносіїв через теплообмінник (прямоток, протиток).

Схеми кожухотрубних рекуперативних теплообмінників із різними схемами рухів теплоносіїв із змінами температур по довжині апаратів.

Середньологарифмічний температурний напір підраховується з наступного рівняння

.