1 Конструкция теплообменных аппаратов

1.9 Основы теплового расчета теплообменных процессов

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.

В общем виде критериальная зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи имеет вид

Nu = f (Re; Pr; Gr; Г₁; Г₂; …),
где – критерий Нуссельта;
– критерий Рейнольдса;
– критерий Прандтля;
Г₁, Г₂, … – симплексы геометрического подобия.
Кроме указанных в критериальные уравнения могут входить
– критерий Галилея ;
– критерий Грасгофа ;
– критерий Пекле .
Эти критерии учитывают, соответственно, влияние физических свойств теплоносителя и особенностей гидромеханики его движения на интенсивность теплоотдачи.
Величины, входящие в выражения для критериев подобия, и их единицы измерения приведены в таблице 6.
Критериальные уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи указанных в таблице 5 случаев теплообмена приведены в [1, с. 49-54; 2, с. 152-168; 3, с. 70-76].
Физико-химические свойства жидкости (газа), входящие в критериальные уравнения, необходимо брать при так называемой определяющей температуре. Какая температура принимается за определяющую, указывается для каждого частного случая теплоотдачи.

Величины, входящие в критериальные уравнения конвективного теплообмена