Тепловой расчет кожухотрубного и пластинчатого теплообменника - ABCD42.RU

Тепловой расчет кожухотрубного и пластинчатого теплообменника

Привет студент

Расчёт и проектирование теплообменного аппарата

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина»

Кафедра «Процессы и аппараты химической технологии»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

«Расчёт и проектирование теплообменного аппарата»

ПАХТ 240700.000.001. ПЗ

Студент гр. Х-330802 Пирожников С.Д.

Преподаватель: С.А. Ермаков

Задание по курсовому проектированию.. 4

  1. Теоретическая часть. 5
  2. Процесс теплопередачи. 5
  3. Конструкции теплообменных аппаратов. 6
  4. II. Расчетная часть. 10
  5. Тепловая схема и основные параметры.. 10
  6. Варианты теплообменных аппаратов. 11

2.1 Вариант 1. Расчет теплообменника «Труба в трубе». 12

2.2 Вариант 2. Кожухотрубчатый теплообменник. 15

  1. Выбор теплообменника. 20

Список литературы.. 23

Аннотация

В данной работе приводится расчет двух типов теплообменных аппаратов:

  • расчет теплообменника типа «труба в трубе»;
  • расчет кожухотрубчатого теплообменника.

Данные аппараты предназначены для нагрева рассола и охлаждения насыщенного водяного пара. Используемые ГОСТы: ГОСТ 9930-78, ГОСТ 15122-70 и ГОСТ 2120-73. На основе приведенных расчетов производится выбор нормализованного варианта конструкции, который будет удовлетворять заданным техническим требованиям.

Задание по курсовому проектированию

Рассчитать и спроектировать теплообменник по следующим данным:

  • Тип аппарата – выбрать;
  • Производительность аппарата:

А. По нагреваемой среде:

б) начальная температура – +10 ◦С;

в) конечная температура – +50 ◦С;

г) давление – 2 ат.

Б. По охлаждаемой среде: 3 т /ч

а) состав – этиловый спирт;

б) начальная температура – +79 ◦С;

в) конечная температура – +30 ◦С;

г) давление – 1 ат.

  • Пояснительную записку: аннотация, задание, введение, выбор типа и конструкции, краткая характеристика и схема аппарата, материальные и тепловые расчеты, определение конструктивных размеров, заключение, список используемой литературы.
  • Графические документы (чертежи общего вида, узлов, деталей).

Пояснительная записка и графические документы должны отвечать требованиям ЕСКД.

  1. Теоретическая часть
  2. Процесс теплопередачи

Перенос энергии в форме тепла, происходящий между телами, имеющими различную температуру, называется теплообменом. Движущей силой любого процесса теплообмена является разность температур более нагретого и менее нагретого тел, при наличии которой тепло самопроизвольно переходит от более нагретого к менее нагретому телу. Тела, участвующие в теплообмене называются теплоносителями.

Теплопередача – наука о процессах распространения тепла. Законы теплопередачи лежат в основе тепловых процессов – нагревания, охлаждения, конденсации паров, выпаривании и имеют большое значение для проведения многих массообменных, а также химических процессов, протекающих с подводом или отводом тепла.

Различают три способа распространения тепла:

  1. Теплопроводность — представляет собой перенос тепла вследствие беспорядочного (теплового) движения микрочастиц непосредственно соприкасающихся друг с другом. Это движение может происходить либо движением самих молекул, либо колебанием атомов (кристаллическая решетка твердых тел), либо диффундированием свободных электронов в металле.
  2. Конвекция — это перенос тепла вследствие движения и перемешивания макроскопических объёмов жидкости или газа. Различают естественную или свободную конвекцию, которая обусловлена разностью плотностей в различных точках объема жидкости или газа, возникающие вследствие разности температур, и вынужденную конвекцию, которая возникает при принудительном движении всего объема жидкости или газа (перемешивание).
  3. Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волны, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тепла.

В реальных условиях тепло передается не каким-либо одним способом, а комбинированным путем.

Перенос тепла от стенки в газообразной или жидкой среде или в обратном направлении называется теплоотдачей.

Различают установившиеся (стационарные) процессы теплообмена для непрерывно действующих аппаратов и неустановившиеся – для периодически действующих аппаратов.

Теплоносители, имеющие более высокую температуру, чем нагреваемая среда и отдающие тепло, называются нагревающими агентами. Теплоносители с более низкой температурой – охлаждающие агенты. Выбор теплоносителя зависит от требуемой температуры нагрева или охлаждения и необходимости её регулирования. Промышленный теплоноситель должен обеспечивать достаточно высокую интенсивность теплообмена при небольших массовых и объемных его расходах. Соответственно он должен обладать малой вязкостью, но высокими плотностью, температурой и теплотой парообразования. Желательно также, чтобы теплоноситель был не горюч, не токсичен, термически стоек, не оказывал разрушающего действия на материал теплообменника и вместе с тем являлся бы достаточно доступным и дешевым веществом.

  1. Конструкции теплообменных аппаратов

Простейший из трубчатых теплообменников типа «труба в трубе» состоит из двух коаксиально закреплённых труб. Первый теплоноситель перемещается по внутренней трубе 1. Второй теплоноситель проходит в кольцевом пространстве, образованном трубой 1 и соосной с ней наружной трубой 2. Таким образом, поверхность, через которую передаётся теплота, образована той частью поверхности внутренней трубы, которая заключена во внешней трубе. Для увеличения поверхности теплообмена в одном аппарате элементы, образованные двумя трубами, соединяют последовательно с помощью изогнутых соединительных труб 3. Межтрубное пространство элементов сообщается через соединительные патрубки 4.

Теплообменники типа «труба в трубе» просты по конструкции и поддаются механической чистке, замена отдельных элементов несложная. Главное преимущество этих аппаратов состоит в том, что можно обеспечить оптимальные скорости движения теплоносителей, подбирая соответствующие диаметры труб.

Существенный недостаток аппаратов «труба в трубе» — значительные габариты, т.е. небольшая поверхность теплообмена в единице объёма аппарата.

Спиральный теплообменник состоит из двух длинных свернутых по спирали металлических листов 1, закрытых с торцевых сторон съемными крышками 2. В теплообменнике для сред I и II образуются два независимых друг от друга соседних канала прямоугольного сечения. Для подвода и выпуска теплоносителей имеются штуцеры.

В спиральных теплообменниках, как и в теплообменниках типа «труба в трубе», соответствующим подбором сечений каналов можно обеспечить высокие скорости протекания сред, а, следовательно, и высокие значения коэффициентов α1 и α2.рис. 3

К преимуществам этой конструкции необходимо отнести ком­пактность аппарата (в 1 м 3 теплообменника можно развить до 80 м 2 теплопередающей поверхности, т. е. приблизительно в 2 раза больше, чем в кожухотрубчатых теплообменниках) и меньший расход металла на его изготовление по сравнению с другими типами теплообменников (здесь очень небольшие затраты металла на кожух, считая затраты на единицу теплопередающей поверхности). Плавное изменение направления движения теплоносителей и постоянная площадь сечения каналов обусловливают небольшое гидравлическое сопротивление их даже при высоких скоростях движения сред.

Пластинчатые теплообменники. Поверхность теплообмена пластинчатого теплообменника состоит из гофрированных пластин с четырьмя отверстиями по углам. Проложив между пластинами 2 и 3 специальные фасонные прокладки и прижимая пластины друг к другу, можно образовать канал синусоидального профиля, по которому жидкость может перетекать из верхнего левого отверстия в нижнее левое. Эти два отверстия объединены общей большой прокладкой, в то время как два других отверстия окружены малыми (кольцевыми) прокладками, и из них жидкость не может ни выходить, ни входить в канал. Если к двум сжатым пластинам 2 и 3 прижать пластину 4, объединив прокладкой нижнее правое отверстие с верхним правым, то будет образовано два канала. В первом, между пластинами 2 и 3, один теплоноситель перетекает сверху вниз, а во втором канале, между пластинами 3 и 4, другой теплоноситель проходит снизу вверх. Продолжая прибавлять пластины и прокладки справа и слева от образованного пакета, можно увеличивать число параллельных каналов и поверхность теплообмена. Ширина синусоидального канала лежит в пределах от одного до нескольких миллиметров, и жидкость быстро прогревается по всей толщине слоя. Этому способствует искусственная турбулизация потока на поворотах в канале, вызывающая увеличение коэффициента теплоотдачи.

Достоинства пластинчатого теплообменника:

  1. Небольшое расстояние между пластинами и рельефная поверхность их обеспечивают большую удельную теплопередающую поверхность.
  2. Фасонная форма пластин обеспечивает большие значения коэффициентов теплоотдачи, а, следовательно, и коэффициента теплопередачи.
  3. Теплопередающая поверхность легко изменяется путем установки соответствующего количества пластин.
  4. Теплообменник легко разбирается, что обеспечивает возможность чистки теплопередающей поверхности.

Основным недостатком пластинчатого теплообменника является большое количество прокладок.

Змеевиковые теплообменники (погружные). Простейший погружной змеевиковый теплообменник (рис. 5) представляет собой изогнутую в виде спирали трубу (змеевик), установленную внутри цилиндрического сосуда. Одна из сред проходит по змеевику, другая омывает его снаружи. В некоторых конструкциях в один сосуд (кожух) поставлено несколько змеевиков с общим распределительным и сборным коллекторами.

Погружные змеевиковые теплообменники применяются, когда одна из теплообменивающихся сред является сильно загрязненной или агрессивной, так как чистка трубок змеевика снаружи не требует специальной разборки, а металлический корпус аппарата может быть легко защищен от агрессивной среды. Поэтому, несмотря на широкое применение более интенсивно работающих кожухотрубных аппаратов, змеевиковые теплообменники распространены на химических производствах.

Читайте также  Расторжение брака в судебном порядке

Рубашечные теплообменники. Рубашечные теплообменники – это сосуды, снабженные двойными стенками-рубашками. Внутри сосуда протекает одна среда, в кольцевом канале – вторая среда.

По самой конструкции теплообменника скорость среды внутри аппарата невелика, поэтому коэффициент теплопередачи будет определяться именно этим малым коэффициентом теплоотдачи. Они, кроме того, имеют небольшую поверхность нагрева на единицу объема аппарата. Однако эти теплообменники еще более, чем змеевиковые, удобны для осмотра и наблюдения за средой внути сосуда, поэтому они применяются главным образом как реакционные аппа­раты, кристаллизаторы, растворители, т. е. в технологических про­цессах, требующих в самом ходе нагрева или охлаждения среды.

Оросительные теплообменники (холодильники). Оросительные теплообменники часто называют холодильниками, так как они применяются только при охлаждении водой. Именно вода, а не воздух, является наиболее распространенным охлаждающим агентом, так как коэффициент теплоотдачи от стенки к воде во много раз больше, чем коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху.

Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Введение

Теплообменный аппарат – это устройство, обеспечивающее передачу тепла между средами, разнящимися по температуре. Для обеспечения тепловых потоков различного количества конструируются разные теплообменные устройства. Они могут иметь разные формы и размеры в зависимости от требуемой производительности, но основным критерием выбора агрегата является площадь его рабочей поверхности. Она определяется с помощью теплового расчета теплообменника при его создании или эксплуатации.

Расчет может нести в себе проектный (конструкторский) или проверочный характер.

Конечным результатом конструкторского расчета является определение площади поверхности теплообмена, необходимой для обеспечения заданных тепловых потоков.

Проверочный расчет, напротив, служит для установления конечных температур рабочих теплоносителей, то есть тепловых потоков при имеющейся площади поверхности теплообмена.

Соответственно, при создании устройства проводится конструкторский расчет, а при эксплуатации – проверочный. Оба расчета идентичны и, по сути, являются взаимообратными.

Основы теплового расчета теплообменных аппаратов

Основой для расчета теплообменников являются уравнения теплопередачи и теплового баланса.

Уравнение теплопередачи имеет следующий вид:

  • Q – размер теплового потока, Вт;
  • F – площадь рабочей поверхности, м2;
  • k – коэффициент передачи тепла;
  • Δt – разница между температурами носителей на выходе в аппарат и на выходе из него. Также величина называется температурным напором.

Как можно заметить, величина F, являющаяся целью расчета, определяется именно через уравнение теплопередачи. Выведем формулу определения F:

Уравнение теплового баланса учитывает конструкцию самого аппарата. Рассматривая его можно определить значения t1 и t2 для дальнейшего вычисления F. Уравнение выглядит следующим образом:

  • G1 и G2 – расходы масс греющего и нагреваемого носителей соответственно, кг/ч;
  • cp1 и cp2 – удельные теплоемкости (принимаются по нормативным данным), кДж/кг‧ ºС.

В процессе обмена тепловой энергией носители изменяют свои температуры, то есть в устройство каждый из них входит с одной температурой, а выходит – с другой. Эти величины (t1 вх ;t1 вых и t2 вх ;t2 вых ) являются результатом проверочного расчета, с которым сравниваются фактические температурные показатели теплоносителей.

Вместе с тем большое значение имеют коэффициенты теплоотдачи несущих сред, а также особенности конструкции агрегата. При детальных конструкторских расчетах составляются схемы теплообменных аппаратов, отдельным элементом которых являются схемы движения теплоносителей. Сложность расчета зависит от изменения коэффициентов теплопередачи k на рабочей поверхности.

Для учета этих изменений уравнение теплопередачи принимает дифференциальный вид:

Такие данные, как коэффициенты теплоотдачи носителей, а также типовые размеры элементов при конструировании аппарата или при проверочном расчете, учитываются в соответствующих нормативных документах (ГОСТ 27590).

Пример расчета

Для большей наглядности представим пример конструкторского расчета теплообмена. Этот расчет имеет упрощенный вид, и не учитывает потерь теплоты и особенностей конструкции теплообменного аппарата.

  • Температура греющего носителя при входе t1 вх = 14 ºС;
  • Температура греющего носителя при выходе t1 вых = 9 ºС;
  • Температура нагреваемого носителя при входе t2 вх = 8 ºС;
  • Температура нагреваемого носителя при выходе t2 вых = 12 ºС;
  • Расход массы греющего носителя G1 = 14000 кг/ч;
  • Расход массы нагреваемого носителя G2 = 17500 кг/ч;
  • Нормативное значение удельной теплоемкости ср =4,2 кДж/кг‧ ºС;
  • Коэффициент теплопередачи k = 6,3 кВт/м 2 .

1) Определим мощность теплообменного аппарата с помощью уравнения теплового баланса:

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

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

Qвх = Qвых. Условия теплового баланса выполняются. Переведем полученную величину 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) Определим значение напора t. Он определяется по формуле:

3) Определим площадь поверхности теплообмена с помощью уравнения теплопередачи:

F = 81,7/6,3‧1,4 = 9,26 м2.

Как правило, при проведении расчета не все идет гладко, ведь необходимо учитывать всевозможные внешние и внутренние факторы, влияющие на процесс обмена теплом:

  • особенности конструкции и работы аппарата;
  • потери энергии при работе устройства;
  • коэффициенты теплоотдачи тепловых носителей;
  • различия в работе на разных участках поверхности (дифференциальный характер) и т.д.

Вы можете самостоятельно провести тепловой расчет на основе уравнений выше и получить результат в pdf-формате (в полях «Допустимые потери», «Давление расч.» и «Tmax» можно указать произвольные данные, единственное ограничение: Tmax > t1).

ВАЖНО: Для наиболее точного и достоверного расчета инженер должен понимать сущность процесса передачи тепла от одного тела к другому. Также он должен быть максимально обеспечен необходимой нормативной и научной литературой, поскольку в расчете на множество величин составлены соответствующие нормы, которых специалист обязан придерживаться.

Выводы

Что мы получаем в результате расчета и в чем его конкретное применение?

Допустим, что на предприятие поступил заказ. Необходимо изготовить тепловой аппарат с заданной поверхностью теплообмена и производительностью. То есть перед предприятием не стоит вопрос размеров аппарата, но стоит вопрос материалов, которые обеспечат нужную производительность с заданной рабочей площадью.

Для решения данного вопроса производится тепловой расчет, то есть определяются температуры теплоносителей на входе и выходе из аппарата. Исходя из этих данных выбираются материалы для изготовления элементов устройства.

В конечном итоге, можно сказать, что рабочая площадь и температура носителей на входе и выходе из аппарата – основные взаимосвязанные показатели качества работы теплообменника. Определив их путем теплового расчета инженер сможет разработать основные решения для конструирования, ремонта, контроля и поддержания работы теплообменников.

В следующей статье мы рассмотрим назначение и особенности механического расчета теплообменника, поэтому подписывайтесь на нашу e-mail рассылку и новости в соц сетях, чтобы не пропустить анонс.

Блог об энергетике

энергетика простыми словами

Конструкторский расчет рекуперативного теплообменника

При его проведении ставится задача сконструировать теплообменник. Для этого предварительно приходится производить тепловой и гидравлический расчет проектируемого изделия, в качестве которого для конкретности рассмотрим рекуперативный теплообменный аппарат. Исходной информацией для этого расчета являются величины расходов теплоносителей М1 и М2 , значения температуры одной из движущихся сред на входе в аппарат Тf1,1, и на выходе из него Тf1,2, температура Тf2,1, второй среды на входе в аппарат и теплофизические свойства теплоносителей.

Предварительно по формуле (1)

определяется тепловая нагрузка Q, под которой понимается количество теплоты, передаваемое за единицу времени от одной среды к другой.

Очевидно, что количество теплоты, отданного первым теплоносителем, равно количеству теплоты, воспринятого вторым теплоносителем, так что имеем равенство (2)

где сp1 и сp2 — изобарная теплоемкость первого и второго теплоноси¬телей соответственно.

Из формулы (2) находим величину Тf2,2 и при известных Тf1,1, Тf1,2, Тf2,1 и задаваемой схеме взаимного движения теплоносителей в аппарате вычисляем среднелогарифмическую разность температур между теплообменивающимися средами по формуле

Тепловая нагрузка Q, вычисляемая по формуле (1), передается от одной движущейся среды к другой и может быть вычислена еще и по формулам (3)

k l и k — линейный коэффициент теплопередачи в кожухотрубчатом теплообменнике и коэффициент теплопередачи в пластинчатом теплообменнике соответственно; L и F — искомая длина труб в кожухотрубчатом теплообменнике и площадь теплообменной поверхности пластинчатого теплообменника.

Величины L и F определяются как (4)

так что естественным образом возникает проблема предварительного определения коэффициентов теплопередачи kl и k в (3).

Читайте также  Одноклеточные организмы как наиболее простые формы жизни

Для этих целей, основываясь на предыдущем опыте аппаратостроения, приходится предварительно задаваться конструкцией проектируемого теплообменника, т.е. выбирать его тип (кожухотрубчатый или пластинчатый), направление взаимного движения теплоносителей, геометрические размеры теплообменных элементов (труб, пластин) и их расположение в поперечном сечении аппарата. Последнее необходимо знать, чтобы при задаваемых тем самым площадях поперечных сечений f1, и f2 для прохода теплоносителей, известных расходах M1 и М2 и плотностях ρ1 и ρ 2 вычислить скорости движения (5)

значения соответствующих критериев Рейнольдса (6)

чисел Нуссельта из уравнений подобия вида (7)

и коэффициентов теплоотдачи α1 и α2.

В формулах (6), (7) обозначены: d э1 , v1, λf1 и dэ2, v2, λf2 — эквивалентный диаметр поперечного сечения, кинематическая вязкость, коэффициент теплопроводности для первого и второго теплоносителей.

Рис. 1. Поперечное сечение кожухотрубчатого теплообменного аппарата:
а — трубки расположены с шагом s по сторонам правильного шестиугольника;
б — трубки с шагом s расположены по окружностям

При расчете теплоотдачи и гидравлического сопротивления в качестве определяющего размера для прохода теплоносителя внутри цилиндрических трубок кожухотрубчатого теплообменника выбирается их внутренний диаметр: dэ1 =dвн =d1 (рис. 1). Эквивалентный диаметр для теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве, определяется по формуле

где f и Р, Dвн, dн и N — площадь поперечного сечения для прохода теплоносителя в межтрубном пространстве и смоченный им периметр, внутренний диаметр кожуха (обечайки), наружный диаметр трубок и их количество.

Для расчета теплоотдачи и гидравлического сопротивления пластинчатых теплообменников рекомендуется находить эквивалентный диаметр при течении между пластинами, например, по формуле:

где V — объем между пластинами; F — площадь смоченной поверхности.

Поскольку индивидуальные характеристики пластин изменяются в широких пределах, то для определения интенсивности теплоотдачи можно рекомендовать формулы (Справочник по теплообменникам. Т.2. М.: Энергоатомиздат, 1987. — 352 с.):

а) для ламинарного режима течения (при Re 1000) (9)

В формуле (8) величина Н соответствует высоте пластины.

Рассмотрение областей применения формул (8) и (9) свидетельствует о том, что течение между профилированными пластинами приводит к турбулизации потока, так что область ламинарного режима ограничена сверху Re N = L/l,

так что при выбранном поперечном сечении полностью определена конструкция этого теплообменника.

Выбор габаритов одной пластины, т. е. задание площади ее поверхности F1, дает следующее количество пластин в пластинчатом теплообменнике:

Расчеты производятся итерационно до получения приемлемых для технического использования габаритов теплообменного аппарата и допустимых падений давления в нем.

Следует иметь в виду, что при проектировании испарителей и конденсаторов коэффициенты теплоотдачи со стороны сред, претерпевающих изменение агрегатного состояния, приходится определять по соответствующим зависимостям для процессов кипения и конденсации.

Поверочный расчет рекуперативного теплообменника.

Известна конструкция теплообменника, и следует выяснить, обеспечивает ли он требуемую при его использовании теплопроизводительность Q, равную согласно (2)

В качестве исходной информации для расчета располагаем величинами расходов теплоносителей М1 и М2, значениями температуры одной из движущихся сред на входе в аппарат Tf1,1 и на выходе из него Tf1,2, температуры Tf2,1, второй среды на входе в аппарат и их теплофизическими свойствами, длиной одной трубки l и их количеством N кожухотрубчатого теплообменника, площадью теплообменной поверхности F1 одной пластины и их количеством N в пластинчатом теплообменнике, площадями f1, и f2 поперечных сечений для прохода теплоносителей и направлением их взаимного течения.

Тепловой расчет производится согласно зависимостей, приведенных в настоящей статье. Однако, не требуется делать итерации, вызванные необходимостью достижения приемлемых скоростей w1 и w2 теплоносителей в теплообменнике.

Полученные в результате такого расчета величины Lр или Fp сравнивают с их действительными значениями L или F в имеющемся теплообменнике. Если оказывается, что расчетные величины Lp или Fp меньше, чем действительные L или F, то поступивший теплообменный аппарат пригоден для использования. В противном случае надо выбрать другой теплообменник.

При проведении и конструкторского, и поверочного расчета следует иметь в виду, что на практике нужен запас величины тепло-обменной поверхности, так как она в процессе эксплуатации, как правило, загрязняется: на ней откладывается накипь, кокс, зола и др.

Источник: Теория и прикладные задачи тепломассопереноса: учебное пособие / Н. М. Цирельман. — М.: Машиностроение, 2011. — 503 с.

Базовые понятия теплообмена для расчета теплообменников

Когда проводится расчет теплообменников, используются базовые знания о законах теплообмена, открытые на сегодняшний день.

В частности используются такие понятия как удельная теплоемкость и теплосодержание (энтальпия), а также удельная теплота химических превращений (и фазовых превращений).

Под удельной теплоемкость понимается количество тепла, которое необходимо для нагрева одного килограмма вещества ровно на один градус. На основании данных о теплоемкости можно судить об интенсивности аккумулирования тепла.

При тепловых расчетах используются средняя теплоемкость, исчисляемую в заданном температурном интервале.

Под понятием удельной энтальпии понимается количество тепла, которое потребуется для нагрева одного килограмма от нуля до заданной температуры.

Под удельной теплотой химических превращений понимается то количество тепла, которое будет выделяться при химической трансформации одной единицы массы данного вещества.

Под удельной теплотой фазовых превращений понимается то количество тепла, которое будет поглощаться или выделяться при изменении агрегатного состояния единицы массы данного вещества.

Расчет теплообменников и различные методы составления теплового баланса

При расчете теплообменников могут использоваться внутренний и внешний методы составления теплового баланса. При внутреннем методе используются величины теплоемкостей. При внешнем методе используются величины удельных энтальпий.

При применении внутреннего метода тепловая нагрузка рассчитывается по разным формулам, в зависимости от характера протекания теплообменных процессов.

Если теплообмен происходит без каких-либо химических и фазовых превращений, а соответственно и без выделений или поглощений тепла.

Соответственно тепловая нагрузка рассчитывается по формуле

Если в процессе теплообмена происходит конденсация пара или испарение жидкости, протекают какие-либо химические реакции, то используется другая форму для вычисления теплового баланса.

При использовании внешнего метода расчет теплового баланса ведется на основании того, что в теплообменный аппарат за какую-то единицу времени поступает и выходит равное количество тепла.
Если при внутреннем методе используются данные о теплообменных процессах в самом агрегате, то при внешнем методе используются данные внешних показателей.

Для расчета теплового баланса по внешнему методу используется формула
.

Под Q1 подразумевается то количество тепла, которое поступает в агрегат и ходит из него за единицу времени.
Под подразумевается энтальпия веществ, которые входит в агрегат и выходят из него.

Можно также вычислить разность энтальпий для того, чтобы установить то количество тепла, которое было передано между разными средами. Для этого используется формула .

Если же в процессе теплообмена происходили какие-либо химические или фазовые превращения, используется формула.

Механизмы теплопередачи в расчете теплообменников

Теплообмен осуществляется посредством трех основных видов теплопередачи. Это конвекция, теплопроводность и излучение.

При теплообменных процессах, которые протекают по принципам механизма теплопроводности передача тепла происходит как перенос энергии упругих колебаний молекул и атомов. Данная энергия переходит от одних атомов к другим в направлении уменьшения.

При проведении расчетов параметров передачи тепла по принципу теплопроводности используется закон Фурье:.

Для вычисления количества тепла используются данные о времени прохождения потока, площади поверхности, градиенте температуры, а также о коэффициенте теплопроводности. Под градиентом температуры понимается ее изменение в направлении теплопередачи на одну единицу длины.

Под коэффициентом теплопроводности понимается скорость теплообмена, то есть то количество тепла, которое проходит через одну единицу поверхности в единицу времени.

При любых тепловых расчетах учитывается, что самый большой коэффициент теплопроводности имеют металлы. Различные твердые тела имеют гораздо меньший коэффициент. А у жидкостей этот показатель, как правило, ниже, чем у любого из твердых тел.

При расчете теплообменников, где передача тепла от одной среды к другой идет через стенку, также используется уравнение Фурье для получения данных о количестве передаваемого тепла. Оно вычисляется как количество тепла, которое проходит через плоскость с бесконечно малой толщиной:
.

Если проинтегрировать показатели температурных изменений по толщине стенки, получится

Исход из этого получается, что температура внутри стенки падает по закону прямой линии.

Конвекционный механизм передачи тепла: расчеты

Еще один механизм передачи тепла – конвекция. Это передача тепла объемами среды посредством их взаимного перемещения. При этом передача тепла от среды к стенке и наоборот, от стенке к рабочей среде называется теплоотдачей. Чтобы определить количество тепла, которое передается, используется закон Ньютона

Читайте также  Электронный документооборот на предприятии

В данной формуле a — это коэффициент теплоотдачи. При турбулентном движении рабочей среды этот коэффициент зависит от многих дополнительных величин:

  • физических параметров текучей среды, в частности теплоемкости, теплопроводности, плотности, вязкости;
  • условий омывания газом или жидкостью теплоотдающей поверхности, в частности скорости текучей среды, ее направления;
  • пространственных условий, которые ограничивают поток (длина, диаметр, форма поверхности, ее шероховатости).

Следовательно, коэффициент теплоотдачи — функция многих величин, что показано в формуле

Метод анализа размерностей позволяет вывести функциональную связь критериев подобия, которые характеризуют теплоотдачу при турбулентном характере движения потока в гладких, прямых и длинных трубах.

Это вычисляется по формуле
.

Коэффициент теплоотдачи в расчете теплообменников

В химической технологии нередко встречаются случаи обмена тепловой энергией между двумя текучими средами через разделяющую стенку. Теплообменный процесс проходит три стадии. Тепловой поток для установившегося процесса остается неизменным.

Проводится расчет теплового потока, проходящего от первой рабочей среды к стенке, затем через стенку теплопередающей поверхности и затем от стенки ко второй рабочей среде.

Соответственно для проведения расчетов используется три формулы:

В результате совместного решения уравнений получаем

Величина

и есть коэффициент теплопередачи.

Расчет средней разности температур

Когда при помощи теплового баланса определено необходимое количество тепла, необходимо провести расчет поверхности теплообмена (F).

При расчете необходимой теплообменной поверхности используется то же уравнение, что и при предыдущих расчетах:

В большинстве случаев температура рабочих сред будет меняться в процессе протекания теплообменных процессов. Значит вдоль теплообменной поверхности будет меняться разность температур. Поэтому проводится расчет средней разности температур. А в связи с тем, что изменение температур не линейно, рассчитывают логарифмическую разность
. В отличие от прямоточного потока, при противоточном движении рабочих сред необходимая площадь теплообменной поверхности должна быть меньше. Если в одном и том же ходу теплообменника используется и прямоточный, и противоточный потоки, разность температур определяется, исходя из соотношения
.

Расчет теплообменника

Для расчета теплообменного оборудования необходимо знать величину теплоёмкости, теплосодержание (энтальпию), а также количество теплоты химических или фазовых превращений.

Для расчета теплообменника, предлагаем вам заполнить специальные формы:

Теоретические сведения

На практике расчёт теплообменника проводят, используя величину среднего значения теплоёмкости, которая определяется в некотором интервале температур согласно формуле.

Q — количество тепла, (t2-t1) — температурный интервал.

Удельную энтальпию (расчёт параметра ведётся от 0 0С и до заданной температуры) определяют уравнением:

Удельная теплота химических или фазовых превращений (количество теплоты, выделяемое или поглощаемое при химической реакции или изменении агрегатного состояния вещества) измеряется на единицу массы вещества.

«Внутренний» метод составления теплового баланса

В системе происходит теплообмен между двумя жидкими средами, которые разделены теплопередающей перегородкой.

Если процесс происходит без выделения (или поглощения) теплоты в фазовых или химических превращениях, а также при условии, что нет потерь в окружающую среду, то для расчёта теплообменника количество теплоты определяют по формуле:

Если фазовые или химические превращения происходят в первой среде, то уравнение теплового баланса будет иметь следующий вид:

«Внешний» метод составления теплового баланса

При расчёте теплообменника этим методом тепловой баланс определяют по количеству тепла Q1, которое поступает в теплообменник за 1 час с входящими средами. Оно будет равно суммарному количеству теплоты, покидающему аппарат за это же время.

Если в системе происходят фазовые или химические превращения, то количество теплоты будет определяться согласно формуле:

Существуют три механизма передачи тепла: теплопроводность, конвекция и излучение.

Передача тепла через теплопроводность описывается законом Фурье:

где ? — коэффициент пропорциональности (также его называют коэффициентом теплопроводности). Параметр определяет скорость передачи тепла в единицу времени через единицу поверхности при определённой разности температур.

Передача тепла конвекцией определяет механизм переноса тепла через объёмы перемещаемых сред. Этот процесс описывает закон Ньютона:

где ? — коэффициент теплоотдачи.

При расчёте теплообменника необходимо учесть:

  • Тип рабочих сред (системы вода–вода, масло-вода, пар-вода и т.п.);
  • Величину тепловой нагрузки или мощность;
  • Расход среды в единицу времени (определяется, если не удаётся установить тепловую нагрузку;
  • Входная температура среды;
  • Выходная температура среды;
  • Вязкость рабочей среды;
  • Средний температурный напор;
  • Степень загрязненности среды (нужна в особых случаях).

Любой из параметров, при расчете теплообменника, может оказать существенное влияние на конструкцию теплообменного аппарата, то есть в конечном итоге сказаться на его цене. Цель теплотехнического расчёта теплообменника — определить оптимальную площадь теплопередачи, то есть собрать установку, максимально подходящую по своим параметрам к конкретному теплотехническому процессу.

Компания «ПрофТехСервис» — произведет профессиональный расчет теплообменника в кратчайшие строки.

Этапы расчёта теплообменника

Проектирование теплообменного оборудования проводится на основании специального расчёта, поскольку от того насколько верно будут интерпретированы исходные данные будет зависеть и эксплуатация аппарата. Расчёт теплообменника осуществляется специалистами–теплотехниками с помощью установленных программ.

В промышленности применяется широкая линейка теплообменного оборудования, в ряду которой нагреватели, холодильные установки, испарители и конденсаторы. Главный параметр, необходимый для расчёта рекуперативного оборудования, — площадь поверхности теплоотдачи. Этот параметр влияет на следующие характеристики:

  • Размеры оборудования.
  • Сроки изготовления.
  • Стоимость теплообменника.
  • Условия эксплуатации.
  • Скорость и сложность монтажа.

Прежде чем собрать теплообменник пластинчатый (даже самый простой) потребуется подготовить необходимый перечень данных. Обязательно понадобится информация о расходе одного из теплоносителей, а также данные по температуре обеих сред на входе и на выходе.
Параметры, необходимые для расчёта теплообменного оборудования.

Программа расчёта теплообменника позволяет установить режим движения теплоносителей. В случае вынужденного перемещения сред эту характеристику определяет критерий Рейнольдса. Кроме того, большое значение имеет сама конфигурация пространства, по которому движется теплоноситель. Эта область может быть трубной или межтрубной. Также необходимо определить расположение труб, которое может быть горизонтальным или вертикальным.

Этапы расчёта теплообменной установки

Для того чтобы рассчитать параметры теплообменного оборудования применяют специальные программы. С их помощью после внесения соответствующих данных проводят поэтапный расчёт:

  • На основании средней температуры теплоносителя и усреднённого значения движущей силы проводят расчёт величины тепловой нагрузки аппарата.
  • По уравнению теплового баланса определяют объём расхода второго теплоносителя.
  • Устанавливают приблизительную площадь теплообмена, высчитывают размер труб. После определения режимов движения теплоносителей количество труб уточняется.
  • На основании установленных ориентировочных параметров проводят предварительных подбор установки. При этом обязательно учитываются те геометрические размеры оборудования, которые изначально участвовали в расчёте (в частности, число труб и внутренний диаметр кожуха). Те показатели, которые не участвовали в предварительной прикидке, могут быть изменены. Таким образом, осуществляется оптимизация параметров к конкретным технологическим условиям.
  • По всем теплоносителям проводится оценка частных коэффициентов тепловой отдачи. Для этого используются критериальные уравнения, описывающие теплообменные процессы, режимы работы и расположение трубопровода.
  • Уточняется температура стенки. Определение параметров нагрева проводится как со стороны горячего, так и со стороны холодного теплоносителя.
  • На основании главного уравнения теплопередачи выполняется расчёт поверхности теплообмена. После того как будет определён этот параметр окончательно выбирается нормализованный аппарат. На этом этапе работы в конструкцию установки закладывается необходимый запас прочности для обеспечения надёжной и долговременной работы оборудования. Обязательно учитывается тот факт, что в процессе эксплуатации на внутренних поверхностях труб и кожуха накапливается осадок, который приводит к снижению коэффициента теплопередачи, а следовательно к уменьшению эффективности процесса теплообмена.

Условия, влияющие на эффективность процесса теплопередачи

На процесс теплопередачи влияет ряд факторов. К улучшению теплообмена приводят различные механические устройства. Это могут быть мешалки или пневматические приспособления. Кроме того, скорость теплопередачи зависит от конфигурации поверхности теплообмена (она может быть трубчатой, плоской, рельефной, причём рельефы также могут быть разными). При расчёте подбирают наиболее оптимальную конструкцию оборудования, которая сможет обеспечить наилучшую теплопередачу.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: