Краткие теоретические сведения. Для теплообменников проводят проектный и проверочныйрасчеты

Для теплообменников проводят проектный и проверочныйрасчеты. Конструктивный расчет производят при проектировании нового теплообменника, когда известны или заданы количества нагреваемого или охлаждаемого продукта и его параметры на входе в теплообменник и на выходе из него. При этом определяют необходимую поверхность теплообмена, расход теплоносителя или хладагента, геометрические размеры теплообменника заданной конструкции, его гидравлическое сопротивление и его механическую прочность.

Основное уравнение теплопередачи для установившегося процесса:

Q = K · F · Δt, (4.1)

где Q – тепловая нагрузка, Вт;

K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м² К);

F – поверхность теплообмена, м²;

Δt – средняя (полезная) разность температур между средами, ºС.

Тепловую нагрузку в зависимости от характера процесса определяют по одной из следующих формул:

· при нагревании жидкости или газа:

Q = G · c (t ₂ – t ₁) х ₁, (4.2)

где G – количество нагреваемой жидкости или газа, кг/с;

с – средняя теплоемкость жидкости или газа в указанном интервале температур, Дж/(кг·К);

х ₁ – коэффициент, учитывающий потери тепла теплообменником в окружающую среду при нагревании;

х ₁ = 1,03…1,05.

· при охлаждении жидкости или газа:

Q = G · c (t ₁ – t ₂) х ₂, (4.3)

где х ₂ – коэффициент, учитывающий потери тепла при охлаждении;

х ₂ = 0,95…0,97

· при конденсации насыщенного пара или испарении кипящей жидкости:

Q = G · r · x, (4.4)

где G – количество испаряемой жидкости или конденсирующегося пара, кг/с;

r – удельная теплота конденсации (испарения), Дж/кг;

x – коэффициент, учитывающий потери тепла при испарении или конденсации.

Коэффициент теплопередачи через плоскую стенку или цилиндрическую стенку при d _вн > 0,5 d _н рассчитывают по формуле:

К = 1 / (1 / α ₁ + δ ₁ / λ ₁ + δ ₂ / λ ₂ + 1 / α ₂), (4.5)

где α ₁ и α ₂ – коэффициенты теплоотдачи с одной и с другой стороны стенки, Вт/(м² К);

δ ₁ и δ ₂ – толщина теплопроводящей стенки, слоя накипи и других загрязнений на них, м;

λ ₁ и λ ₂ – теплопроводность стенки, слоя накипи и других загрязнений на ней, Вт/(м К).

Из-за трудности учета термических сопротивлений накипи и других загрязнений коэффициент теплопередачи иногда рассчитывают по формуле:

К = φ / (1 / α ₁ + δ ₁ / λ ₁ + 1 / α ₂), (4.6)

где φ – коэффициент использования поверхности теплообмена:

· для технических расчетов принимают равным 0,65…0,85;

· для сред с интенсивным выделением осадка – 0,4…0,5.

Среднюю разность температур при установившемся теплообмене для прямотока и противотока определяют по одной из следующих формул:

· при отношении Δt _б / Δt _м > 2 определяют как среднелогарифмическую из наибольшей и наименьшей разностей температур сред:

Δt = (Δt _б – Δt _м) / [2,3 lg (Δt _б / Δt _м)], (4.7)

где Δt – средняя разность температур, ºС;

Δt _б – наибольшая разность температур сред, ºС;

Δt _м – наименьшая разность температур сред, ºС;

· при отношении Δt _б / Δt _м < 2 определяют как среднеарифметическую из наибольшей и наименьшей разностей температур сред:

Δt = 0,5(Δt _б + Δt _м), (4.8)

Из теплового расчета определяют общее число труб n диаметром d и длиной l для поверхности теплообмена F по формуле:

n = F / (π d _ср l), (4.9)

где n – общее число труб многоходового теплообменника;

F – поверхность теплообмена теплообменника, м²;

d _ср – средний диаметр трубы, м;

l – длина труб теплообменника, м;

а число труб n ₁ в одном пучке (ходе) многоходового теплообменника определяют по формуле:

n ₁ = 4 V / (π d _вн² w), (4.10)

где n ₁ – число труб;

V – объем жидкости, м³/с;

d _вн – внутренний диаметр труб, м;

w – скорость жидкости в трубах, м/с.

Число ходов в трубном пространстве теплообменника определяют по формуле:

z = n / n ₁, (4.11)

где z – число ходов в трубном пространстве многоходового теплообменника.

Для определения геометрических размеров одноходового кожухотрубного теплообменника рекомендуется следующая методика расчета.

Общее число труб n размещающихся на трубной решетке по вершинам равносторонних треугольников определяют по формуле (округляется до целого большего числа):

n = 0,75(n _d² – 1) + 1, (4.12)

где n _d – число труб, размещающихся по диаметру трубной решетки (округляется до целого большего числа);

n _d = ³√4 F / (3 β t f), (4.13)

где F – расчетная поверхность теплопередачи, м²;

β – отношение высоты Н или длины L рабочей части теплообменника к его диаметру D;

β = 3…5

t – шаг труб, м:

· при закреплении труб развальцовкой:

t = (1,3…1,4) d _н, (4.14)

где d _н – наружный диаметр трубы, м;

· при сварке:

t = 1,25 d _н, (4.15)

f – поверхность (боковая) 1 м трубы принятого диаметра, м²;

f = π d _ср·1, (4.16)

Диаметр трубной решетки или внутренний диаметр теплообменника D (в м) определяют по формуле:

D = (n _d – 1) t + 4 d _н, (4.17)

Рабочая длина одной труды теплообменника определяется из формулы (4.9) или:

l = β D, (4.18)

Высота теплообменника определяется по формуле:

Н = l + 2 δ + 2 h, (4.19)

где Н – высота теплообменника, м;

δ – толщина трубной решетки, м:

· для стальных труб:

δ = 0,125 d _н + 5 мм, (4.20)

· для медных:

δ = 0,125 d _н + 10 мм, (4.21)

h – высота камеры, м;

h = 0,1…0,2 м

Поиск по сайту: