Изчисляване и избор на топлообменници
Изчисляване на топлообменниците
Термични изчисления
За да започнете термичните изчисления на топлообменниците, е необходимо да имате определени изходни данни за използваните топлоносители (техния поток, техните начални и крайни температури, техните физични и химични свойства). Останалите стойности се определят в хода на топлинните изчисления.
Термичните изчисления се използват за определяне на ключовите характеристики на топлообменниците: тяхното топлинно натоварване, консумацията на топлоносителите, средната разлика в температурите на топлоносителите, коефициентът на топлопреминаване. Изчисленията на изброените параметри се основават на уравнението на топлинния баланс.
Вижте по-долу за пълен пример за изчисление на топлообменници.
Във всеки топлообменник се извършва пренос на топлинна енергия от един технологичен поток (пренос на топлина) към друг, което води до отопление или охлаждане.
Q - е топлината, излъчвана или абсорбирана от топлоносителя [W],
където
Gc, f - е разходът на топли и студени топлоносители [kg/h];
сc, f - топлинният капацитет на горещите и студените топлоносители [J/kg · градус];
tc, f i - е началната температура на топлите и студените топлоносители [° C];
tc, f f - е крайната температура на топли и студени топлоносители [° C];
Трябва да се вземе предвид, че излъчената/абсорбираната топлина зависи от състоянието на агрегация на топлоносителите. Ако агрегатното им състояние не се промени в хода на топлообмена, се прилага дадената формула. Ако топлоносител или и двата топлоносителя променят агрегатното си състояние (нагряване с пара), изчисленията на излъчената или абсорбираната топлина се извършват по следната формула:
където
r - топлината на кондензация [J/kg];
сv, c - е специфичният топлинен капацитет на парата и кондензата [J/kg · градус];
tc - е температурата на кондензата на изхода на уреда [° C].
Ако кондензатът не се охлади, първият и третият член се отстраняват от дясната страна на уравнението и става следното уравнение:
Дебитът на топлоносителите се изчислява, както следва:
В случай на парно нагряване дебитът му се изчислява по формулата:
където
G - е съответният поток на топлопреминаване [kg/h];
Q - е топлината [W];
с - е специфичният топлинен капацитет на топлоносителите [J/kg · градус];
r - топлината на кондензация [J/kg];
tc, f i - е началната температура на топлите и студените топлоносители [° C];
tc, f f - е крайната температура на топли и студени топлоносители [° C].
Движещата сила на процеса на топлообмен е температурната разлика на топлоносителите. Тъй като тяхната температура и съответно разликата между техните температури се променят по време на потоците, средната стойност на това се използва за изчислението. Средната температурна разлика в случай на потоци нагоре и срещу противотока се изчислява като логаритмична средна стойност:
Където ∆ts, ∆ti са средната горна разлика и най-малката разлика в температурите на топлоносителите на входа и изхода на уреда.
В случай на напречен и смесен поток на топлоносителите, изчисленията се извършват въз основа на същата формула, която се допълва от корекционен коефициент ∆tm = ∆tmfaj
Коефициентът на топлопреминаване се определя, както следва:
В уравнението:
δp - дебелината на стената [mm];
λp - е коефициентът на топлопроводимост на материала на стената [W/m · град];
α1,2 - са коефициентите на топлопреминаване на вътрешната и външната страна на стената [W/m 2 · градус];
Rcont - е фактор на замърсяване на стената.
Проектни изчисления
Проектните изчисления за топлообменници могат да бъдат приблизителни и подробни.
Приблизителните проектни изчисления се състоят от избор на приблизителни стойности на коефициента на топлопреминаване на водачите и определяне на топлообменната повърхност и размера на проходния участък на топлоносителите.
Приблизителната стойност на топлообменната повърхност се изчислява, както следва:
Напречното сечение на топлоносителите се определя по формулата:
където
G - е дебитът на топлопреминаване [kg/h];
(w ρ) - е масовата скорост на потока на топлопреминаване [kg/m 2 s].
Скоростта на потока се изчислява според вида на топлоносителя:
| Тип топлоносител | Скорост на потока в m/s |
| Вискозни течности | две]; d - е диаметърът на тръбите [m]; |
Обикновено в случай на изчисления на топлообменника на корпуса и тръбите броят и диаметърът на тръбите се определят въз основа на водачи.
Вътрешният диаметър се определя, както следва:
където:
Di - е вътрешният диаметър на топлообменника [m];
s - стъпката между тръбите [m] (обикновено 1,2 до 1,5 dn);
de - е външният диаметър на тръбите [m];
b - е броят на тръбите [m] (b = 2а-1, където а е броят на тръбите на най-голямата шестоъгълна страна);
След това се определя площта на тръбното и интертубуларното пространство.
където:
St - е площта на тръбното пространство [m 2];
d 2 i - е вътрешният диаметър на тръбите [m];
np - е броят на тръбите в една стъпка;
където:
Sit - е повърхността на междутубулното пространство [m 2];
D - е външният диаметър на обвивката [m];
de - е външният диаметър на тръбите [m];
n - е броят на тръбите в стъпка;
В случай на поставяне на надлъжни прегради в междутубулното пространство за увеличаване на интензивността на топлообмена, повърхността се определя, както следва.
където:
N - е броят на стъпките в случай на разделяне;
В хода на изчисленията на намотката на топлообменника на бобината се определя общата дължина на бобината, броят на завъртанията и секциите.
където:
L - общата дължина на намотката [m];
dc - е изчисленият диаметър на спиралната тръба [m];
където:
n - е броят на завъртанията;
Чрез изчисляване на скоростта на потока на топлоносителя и скоростта на неговия поток вътре в тръбата на спиралата може да се изчисли броят на секциите на бобината:
където:
Vs - е дебитът [kg/h];
d - е диаметърът на тръбата на намотката [m];
w - скоростта на потока на топлоносителя вътре в тръбата на спиралата [m/s];
Изчисленията на спирален топлообменник ви позволяват да определите редица параметри: сечението на каналите, ширината, дължината и стъпката на спиралата, броя на завъртанията и външния диаметър на спиралата.
където
S - е участъкът на канала [m 2];
G - е дебитът на топлопреминаване [kg/h];
W - е масовата скорост на потока на топлопреминаване [kg/m 2 · sec].
Хидравлични изчисления
Когато технологичните потоци преминават през топлообменниците, се развива загуба на налягане на потоците, което се дължи на хидравличното съпротивление на устройството.