Теплообменные аппараты, основы расчета

Аппараты, предназначенные для проведения теплообменных процессов, называются теплообменными или теплообменниками. По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках —рекуператорах —тепло передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку.

В регенеративных теплообменниках —регенераторах —одна и та же поверхность попеременно омывается различными теплоносителями. При этом поверхность сначала нагревается одним теплоносителем, а затем отдает тепло другому теплоносителю. Таким образом в регенераторах необходимы аккумуляторы тепловой энергии, которые заряжаются теплом, а затем отдают его.

В смесительных теплообменниках передача тепла происходит непосредственно при соприкосновении и смешении теплоносителей.

Основной задачей при расчете теплообменников является определение требуемой поверхности теплообмена F, которую определяют из основного уравнения теплопередачи:

Q = K F Dt,

где Q‑ тепловая нагрузка на аппарат, Вт; Dt —средний температурный напор, К; К‑ коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К).

Порядок расчета теплообменного апарата:

1. Из уравнения теплового баланса определяют недостающие параметры (расход или температуру одного из теплоносителей);

Тепловой баланс теплообменника можно записать в виде:

Q = Q₁ = Q₂ + Q_п,

где Q₁ и Q₂ —тепло отдаваемое первым и получаемое вторым теплоносителем, соответственно, Вт; Q_п —потери тепла_, Вт.

Тепловая нагрузка при теплообмене без изменение агрегатного состояния определяется по формуле

Q = G(c_нt_н‑ с_кt_к),

где c_н и с_к —начальная и конечная удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/(кг Кt_к); t_н и t_к —начальная и конечная температура теплоносителя, К; G —массовый расход теплоносителя.

При фазовом превращении теплоносителя:

Q = G(i_н-i_к),

где i_н и i_к- начальная и конечная энтальпия теплоносителя, кДж/кг.

2. Определяют теплофизические параметры (плотность, вязкость теплоемкость, теплопроводность и т.п.) обоих теплоносителей;

3. Определяют средний температурный напор (в общем случае по формуле средней логарифмической разности температур);

4. По соответствующим уравнениям подобия рассчитывают коэффициенты теплообмена;

5. Выбирают или рассчитывают термические сопротивления стенки и загрязнений;

6. Определяют коэффициент темплопередачи;

7. Определяют поверхность теплопередачи.