Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Вы здесь

Теплообменный прибор – это устройство, основной задачей которого является трасляция тепла от одной рабочей среды к другой. На основании необходимого количества тепла могут быть сконструированы и различные приборы по обмену теплом. Их разница может заключаться во внешнем виде, габаритах, производительности, а также площади своей рабочей плоскости. Последняя имеет одну из важных ролей и рассчитывается с использованием специального теплового проекта или расчета на этапе создания прибора.

Проект может быть конструкторским или проверочным.

Конструкторский проект вычисляет площадь плоскости обмена теплом, нужную для выбранных условий эксплуатации и определенных потоков тепла.

Проверочный же проект показывает какими должны быть конечные значения температур потоков тепла при той или иной площади теплообмена.

На этапе изготовления прибора необходим конструкторский проект, проверочный же нужен на этапе использования прибора. Эти два проекта связаны и являются обратными друг к другу.

База теплового проекта теплообменных приборов

Базой для подготовки проекта приборов служат уравнения передачи тепла и теплового баланса.

Уравнение передачи тепла можно представить формулой:

Q = F‧k‧Δt, где:

Q – величина потока тепла, Вт;
F – площадь рабочей плоскости, м2;
k – коэффициент передачи тепла;
Δt – величина разницы между значениями температур несущих сред на входе в прибор и на выходе из него. Данный показатель ещё также именуют температурным напором.

Таким образом, видно, что площадь рабочей плоскости выступает частью уравнения передачи тепла, соответственно, для её расчет можно представить следующим образом:

F = Q/ k‧Δt

Уравнение теплового баланса нужно для определения конструкции прибора. Для расчета площади рабочей плоскости здесь можно определить значения t1 и t2. Уравнение можно выразить следующей формулой:

Q = G1cp1(t1вх-t1вых) = G2cp2(t2вых-t2вх), где:

G1 и G2 – затраты масс нагревающего и прогреваемого теплоносителей, кг/ч;
cp1 и cp2 – удельные теплоемкости (берутся из нормативных данных), кДж/кг‧ ºС.

В результате обмена теплом теплоносители меняют значения своих температур. Таким образом, каждая из несущих сред поступает в прибор с одним значением температуры, а выходит с другим. Эти значения (t1вх;t1вых и t2вх;t2вых) выявляются с помощью проверочного расчета, после чего их сопоставляют с фактическими температурами носителей.

Также не меньшее значение оказывают коэффициенты отдачи тепла носителей, и специфика структуры прибора. При подробных конструкторских проектах создают схемы теплообменных приборов, где отдельной частью выделяются и схемы передвижения носителей.

Трудность проведения расчета обуславливается переменой коэффициентов передачи тепла на рабочей плоскости.

Чтобы принять во внимание эти перемены, уравнение принимает дифференциальный вид:

Q = ʃ^F₀kdFΔt

При этом коэффициенты отдачи тепла несущих сред, стандартные размеры частей конструкции прибора берутся из соответствующих нормативных документов - ГОСТ 27590.

Пример расчета

Для большего понимания приведем в пример конструкторский проект обмена теплом. Данный проект будет упрощенным, поскольку мы не будем принимать во внимание энергопотери и специфику структуры теплообменного прибора.

Начальные данные:

Температура нагревающего теплоносителя при входе t1вх = 14 ºС;
Температура нагревающего теплоносителя при выходе t1вых = 9 ºС;
Температура прогреваемого теплоносителя при входе t2вх = 8 ºС;
Температура прогреваемого теплоносителя при выходе t2вых = 12 ºС;
Затраты массы нагревающего теплоносителя G1 = 14000 кг/ч;
Затраты массы прогреваемого теплоносителя G2 = 17500 кг/ч;
Нормативное значение удельной теплоемкости ср =4,2 кДж/кг‧ ºС;
Коэффициент передачи тепла k = 6,3 кВт/м2.

1) Рассчитаем мощность теплообменного прибора, применив уравнение теплового баланса:

Qвх = 14000‧4,2‧(14 – 9) = 294000 кДж/ч

Qвых = 17500‧4,2‧(12 – 8) = 294000 кДж/ч

Qвх = Qвых. Условия теплового баланса выполняются. Полученное значение пересчитаем в единицу измерения Вт. При условии, что 1 Вт = 3,6 кДж/ч, Q = Qвх = Qвых = 294000/3,6 = 81666,7 Вт = 81,7 кВт.

2) Рассчитаем величину напора t. Этот показатель можно найти следующим образом:

3) Рассчитаем площадь поверхности обмена теплом, используя уравнение передачи тепла:

F = 81,7/6,3‧1,4 = 9,26 м2.

Однако, при реальном расчете не всё может быть так просто, поскольку нужно брать в расчет различные внутренние и внешние параметры, которые будут затрагивать процесс теплообмена:

Специфика структуры прибора
Энергопотери при функционировании прибора
Коэффициенты отдачи тепла различных несущих сред
Разница в функционировании в различных частях плоскости (дифференциальный характер) и т.д.

Внимание! Чтобы произвести максимально точный расчет специалист должен разбираться в тонкостях процесса теплопередачи. А также инженер должен иметь достаточные знания в этой области, иметь все необходимые нормативные и научные требования, поскольку в расчетах за частую используются соответствующие нормы тех или иных величин.

Заключение

Зачем нужен расчет и как его применять? Необходимость теплового проекта рассмотрим на примере: производитель получил работу на сборку теплообменного прибора с определенной эффективностью и конкретной площадью покрытия. При этом ему не так важны габариты прибора, но он интересуется больше тем, из каких материалов должны быть изготовлены комплектующие для прибора. Конструкторы просчитывают проект, а уже по его результатам предлагают подходящий материал для комплектующих и корпуса устройства, а также помогают определить готовые решения для эксплуатации, обслуживания прибора, его последующего ремонта и контроля над ним.

В итоге, можно сделать следующие выводы: значения температур теплоносителей на входе и выходе и рабочая площадь прибора – самые важные показатели эффективности функционирования прибора. Эти показатели взаимосвязаны. Используя тепловой расчет и определив их специалист будет готов сконструировать, найти решения по проблеме ремонта или эксплуатации функционирования теплообменного прибора.

Есть вопросы?

Если вы не нашли ответа на свой вопрос в нашей статье, то мы с удовольствием проконсультируем вас по телефону. Бесплатный звонок по России: +7 800 301-02-65. Или же вы можете отправить свой вопрос на нашу электронную почту - info@teploobmennik-russia.ru.