Как правильно проводить расчеты теплообменного оборудования?

Тепловой расчет

Для осуществления технического расчета необходимо иметь данные о тепловых носителях, к которым относятся физические и химические характеристики, расход и температурные показатели на входе и выходе. Если хотя бы один параметр не известен, следует вычислить его при помощи теплового расчета.

Главная задача теплового расчета – определить необходимые параметры теплообменника, такие как расход теплового носителя, коэффициент отдачи тепла, уровень тепловой нагрузки, средняя разница температур. Добывают данные через тепловой баланс.

Ниже представлен пример общего расчета.

В устройстве теплообменного оборудования тепловая энергия перемещается от одного потока к другому в ходе нагрева или охлаждения.

Q – объем тепла, которое передается или принимается тепловым носителем. Следовательно:

Далее приведен пример общего расчета.

Данные для расчета:

Gг,х – расход горячего и холодного теплового носителя,

сг,х – тепловая емкость горячего и холодного теплового носителя,

tг,х н – начальная температура горячего и холодного теплового носителя,

tг,х к – окончательная температура горячего и холодного теплового носителя.

Также следует брать во внимание, что объем теплоты на входе и выходе зачастую зависит от состояния теплового носителя. Если в процессе функционирования состояние стабильное, то расчет осуществляется по формуле, обозначенной выше. Если хотя бы один носитель тепла меняет своей агрегатное состояние, то расчет тепла на входе и выходе необходимо делать по следующему принципу:

Данные для расчета:

r – уровень тепла конденсации,

Сп,к – удельные тепловые емкости пара и конденсата,

tк – температурные показатели конденсата на выходе из теплообменника.

Первое и третье значение необходимо исключить из формы в случае, когда конденсат не проходит процесс охлаждения. Таким образом, формула будет иметь следующий вид:

С ее помощью можно вычислить расход теплового носителя:

Также существует специальная формула, по которой рассчитывается расход при паровом нагреве:

Данные для расчета:

G – расход теплового носителя,

Q – объем количества тепла,

с – удельная тепловая емкость теплоносителя,

r – теплота конденсации,

tг,х н – начальная температура горячего и холодного теплового носителя,

tг,х к – окончательная температура горячего и холодного теплового носителя.

Главная сила теплового обмена заключается в разнице между его составляющими. Дело в том, что при проходе носителей тепла, температура потока меняется, что провоцирует последующие изменения значений разницы температур. Поэтому в ходе расчетов лучше использовать средние показатели. Разница температур в каждом направлении вычитывается через среднее логарифмическое:

- большая и меньшая средняя разность температурных показателей носителя тепла на входе и выходе теплообменника. Вычисление при перекрестном и смешанном токе тепловых носителей проводится по идентичной формуле. Единственный нюанс – необходимо добавить поправочный коэффициент:

Коэффициент тепловой передачи можно вычислить следующим методом:

Данные для расчета:

δ_{ст –} толщина стенки,
λ_ст – коэффициент тепловой проводимости материала поверхности,
α_1,2 – коэффициенты отдачи тепла внутренней и внешней поверхности стенки,
R_заг – коэффициент загрязнения поверхности стенки.

Конструктивный расчет

Конструктивный расчет бывает двух типов: подробный и ориентировочный.

Ориентировочный метод необходим, чтобы вычислить поверхность теплообменного аппарата, параметры его проходного сечения, а также найти приближенные коэффициенты показателей теплового обмена. Последнее осуществляется на основе справочных данных.

Существует несколько формул, по которым можно произвести ориентировочный расчет поверхности теплового обмена:

Чтобы определить параметры проходного сечения теплового носителя, используют формулу:

Данные для расчета:

G – расход теплового носителя,

(w·ρ) – скорость массы потока носителя тепла.

Чтобы произвести вычисления, скорость потока принимают, основываясь на разновидности теплового носителя:

По завершению конструктивного ориентировочного расчета можно выбирать тот или иной тип теплообменников, который максимально подойдет для необходимых поверхностей. Число аппаратов может быть любым, где-то достаточно одной единицы, а где-то требуется сразу несколько устройств. После приобретения на агрегатах осуществляют более подробный расчет с заданными условиями.

После расчетов конструктивного типа определяются дополнительные значения для каждой модели теплообменного оборудования.

Если речь идет о пластинчатом агрегате, необходимо вычислить значение греющих ходов и среды, которая подвергается нагреву. Проводятся расчеты по следующей формуле:

Данные для расчета:

G_{гр, нагр} – расход тепловых носителей,

∆P_{гр, нагр} – перепад давления тепловых носителей,

t_{гр, нагр ср} – среднее значение температуры тепловых носителей.

Если соотношение Xгр/Xнагр будет минимальным (меньше двух), то следует выбрать симметрическую компоновку. Если показатель более двух – выбирается несимметрическая.

Определить число каналов среды можно через формулу, приведенную ниже:

Данные для расчета:

G_нагр – расход тепловых носителей,
w_опт – оптимальное значение потоковой скорости теплового носителя,
f_к – живое сечение одного межпластинчатого канала – определяется согласно известным параметрам конкретных пластин.

Гидравлический расчет

Технологические потоки могут терять напор и давление при проходе через теплообменники. Причиной тому служит индивидуальное сопротивление гидравлического характера у агрегатов.

Чтобы вычислить показатель гидравлического сопротивления, создаваемого самим оборудованием, необходимо провести расчеты по следующей формуле:

Данные для расчета:

∆p_п – потери давления,
λ – коэфф. трения,
l – длина трубы,
d – диаметр трубы,
∑ζ – значение суммы коэффициентов сопротивлений местного уровня,
ρ – степень плотности,
w – потоковая скорость.