Виды расчетов и основные зависимости.

 

Различат два типа тепловых расчетов: конструкторский (проектировочный) и поверочный. В первом случае известны параметры теплоносителей и требуется определить площадь теплопередающей поверхности и, в конечном счете, размеры теплообменника, который необходимо изготовить. Во втором случае теплообменный аппарат уже имеется и требуется определить конечные температуры теплоносителей, в случае их прохождения через данный аппарат.

В обоих случаях основными расчетными уравнениями являются:

уравнение теплопередачи

(8-1)

и уравнение теплового баланса

(8-2)

где

 

тепловой поток, отданный горячим теплоносителем;

 

- тепловой поток, воспринятый холодным теплоносителем; - тепловые потери в окружающую среду; G ₁, G ₂- массовые расходы горячего и холодного теплоносителей; , - изменение энтальпии теплоносителей; , — удельные теплоемкости теплоносителей при постоянном давлении; , — температуры горячего теплоносителя на входе и выходе из аппарата; , — температуры холодного теплоносителя на входе и выходе его из аппарата.

В общем случае температура рабочих жидкостей в теплообменниках изменяется: горячая охлаждается, а холодная нагревается. Вместе с этим изменяется и температурный напор между ними . В таких условиях уравнение теплопередачи (8-1) применимо лишь в дифференциальной форме к элементу поверхности dF, а именно:

Общий тепловой поток, переданный через всю поверхность, определяется интегралом этого выражения

(8-3)

Это и есть расчетное уравнение теплопередачи. Здесь - среднее значение температурного напора по всей поверхности нагрева.

В тепловых расчетах важное значение имеет величина, называемая водяным эквивалентом, W, Вт/К:

(8-4)

где - массовый расход теплоносителя; - скорость теплоносителя; - плотность теплоносителя; f — площадь поперечного сечения канала.

Если величину W ввести в уравнение теплового баланса (8-2), то оно принимает вид:

,

откуда

(8-5)

Последнее означает, что отношение изменений температур рабочих жидкостей обратно пропорционально отношению их водяных эквивалентов. Такое соотношение справедливо как для всей поверхности нагрева F, так и для каждого ее элемента dF т. е.

(8-6)

где dt ₁ и dt ₂ — изменения температуры рабочих жидкостей на элементе поверхности.

При расчете теплообменных аппаратов очень важно корректно определить значение коэффициента теплопередачи k. В главе 5 представлены зависимости, позволяющие выполнить это с использованием коэффициентов теплоотдачи и термического сопротивления стенок и возможных загрязнителей поверхностей. При этом важно четко определиться с имеющими место особенностями происходящих процессов, что обусловит правильный выбор необходимых уравнений подобия и расчет значений α по каждому из теплоносителей.

Имеют место случаи, когда различные участки теплопередающей поверхности теплообменника имеют разные значения коэффициента теплопередачи, например, в результате резко меняющихся условия омывания поверхности рабочей жидкостью. Если при этом температура жидкости изменяется незначительно, то среднее значение k определяется как средневзвешенное значение:

(8-15)

где F ₁, F ₂ и F ₃ — отдельные участки площади поверхности; k ₁, k ₂ и k 3 — средние значения коэффициента теплопередачи на этих участках.