Содержание статьи
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 = F‧k‧Δt, где:
- 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:
F = Q/ k‧Δt
Уравнение теплового баланса учитывает конструкцию самого аппарата. Рассматривая его можно определить значения t1 и t2 для дальнейшего вычисления F. Уравнение выглядит следующим образом:
Q = G1cp1(t1вх-t1вых) = G2cp2(t2вых-t2вх), где:
- 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 (t1вх;t1вых и t2вх;t2вых) 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.
Исходные данные:
- Температура греющего носителя при входе t1вх = 14 ºС;
- Температура греющего носителя при выходе t1вых = 9 ºС;
- Температура нагреваемого носителя при входе t2вх = 8 ºС;
- Температура нагреваемого носителя при выходе t2вых = 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/м2.
1) Определим мощность теплообменного аппарата с помощью уравнения 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. 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.