Расчет теплообменников

Задача теплового расчета - определение величины поверхности теплообмена путем определения теплового баланса при заданных расходах теплоносителей и температурных условиях режима работы.

В общем виде тепловой баланс выражается уравнением (ккал/ч) (в СИ-Вт):

где G₁ и G₂ - расход первичного и вторичного теплоносителей, кг/ч (в СИ - кг/с);

i₂" и i₂' - начальная и конечная энтальпия первичного теплоносителя, ккал/кг (в СИ - Дж/кг);

i₁' и i₁" - начальная и конечная энтальпия вторичного теплоносителя, ккал/кг (в СИ - Дж/кг);

η_п - коэффициент, учитывающий полезное использование тепла в аппарате;

Q_p - тепло химических реакций или других превращений рабочей среды.

Если тепло Q_p выделяется в процессе теплообмена, эту величину следует брать с положительным знаком, если поглощается - с отрицательным. В частности, количество тепла, выделившегося в процессе брожения сусла, может быть определено с помощью номограммы (рис. 39). Тепловыделение одного литра сусла - q₁ (ккал/ч; в СИ - Вт) определяется по номограмме в зависимости от длительности процесса брожения и сахаристости сусла. В зависимости от условий протекания процесса тепловой баланс установки может быть выражен следующими уравнениями:

Рис. 39. Номограмма для определения тепловыделения в процессе брожения сусла

а) если агрегатное состояние теплоносителей не изменяется (один теплоноситель вино, другой - холодная вода), уравнение теплового баланса будет иметь вид (ккал/ч; в СИ - Вт)

где t₁' и t₁" -начальная и конечная температура первичного теплоносителя, °С;

с₁ - средняя удельная теплоемкость первичного теплоносителя, ккал/(кг·°С) [в СИ - Дж/(кг·К)];

t₂' и t₂" - начальная и конечная температура вторичного теплоносителя, °С;

с₂ - средняя удельная теплоемкость вторичного теплоносителя.

б) если изменяется агрегатное состояние одного из теплоносителей, следует учесть скрытую теплоту изменения агрегатного состояния (например, при паровом обогреве - конденсацию пара). В этом случае уравнение теплового баланса (ккал/ч; в СИ - Вт)

где D₂ - расход вторичного теплоносителя (пара), кг/ч;

i_2п - энтальпия пара, ккал/кг (в СИ - Дж/кг);

i_2к - энтальпия конденсата, ккал/кг (в СИ - Дж/кг).

Значение коэффициента η_п, учитывающего полезное использование тепла в аппарате, принимается равным 0,97-0,95.

Температурный режим теплообменников

В процессе теплообмена возможны три основных температурных режима:

1. Температура обоих теплоносителей остается постоянной. Такой случай возможен, когда оба теплоносителя изменяют свое агрегатное состояние (конденсация пара - кипение жидкости).

2. Температура одного теплоносителя сохраняется постоянной, а другого - непрерывно меняется (конденсация пара - подогрев жидкости).

3. Температура обоих теплоносителей одновременно и непрерывно изменяется. Этот случай наиболее часто встречается на практике (нагревание и охлаждение вина горячей и холодной водой, рассолом).

Схемы движения теплоносителей выбираются из условий наилучшего использования тепла, наименьшей поверхности теплообмена и наибольшего соответствования требованиям технологии.

В частности, если конечная температура обрабатываемого продукта не должна превышать известного предела, прямоточная схема более приемлема. Для прямотока и противотока (рис. 40) средняя разность температур определяется как среднелогарифмическая по формуле

где Δt_б и Δt_м - большая и меньшая разность температур теплоносителей на входе и выходе из аппарата.

Рис. 40. Схема движения теплоносителей: а - прямоток; б - противоток

Если Δt_м/Δt_б < 2, тогда среднюю разность температур можно определить как среднеарифметическую

Определение поверхности теплообмена

Величина поверхности теплообмена определяется по расчетной формуле

Ранее были изложены методы определения величины Q и Δt_ср.

Коэффициент теплопередачи k, входящий в уравнение, является функцией коэффициентов теплоотдачи α₁ и α₂ на участках с одной и с другой стороны разделяющей стенки, термического сопротивления стенки r = δ/λ и загрязнения - r₃.

На практике влияние загрязнения можно учесть приближенно, умножая коэффициент теплопередачи для чистой поверхности k₀ на коэффициент использования поверхности теплообмена φ

Для теплообменников с небольшой скоростью оседания загрязнений φ = 0,7÷0,8