Тепловой расчет рекуперативного теплообменника

Полный расчёт теплообменного аппарата (теплообменника) представляет собой сложную задачу. Ему должен предшествовать выбор теплоносителей и схемы их движения в теплообменнике, результаты которого в значительной степени определяются назначением и конструкцией объекта, в котором предполагается использовать данный теплообменник. Обычно при проектировании теплообменника выполняются (кроме прочностного) его тепловой и гидравлический расчеты. В ходе теплового расчета определяются: тепловой поток, температуры теплоносителей, потребная рабочая поверхность теплообменника. В результате гидравлического расчёта определяются параметры каналов, в которых движутся теплоносители, потери давления теплоносителей при их течении в этих каналах (гидравлические потери) и мощность источника энергии N, необходимая для прокачки теплоносителей через теплообменник. При этом процессы теплоотдачи по ходу движения теплоносителей в теплообменнике в большинстве случаев сопровождаются существенным изменением их параметров и коэффициентов теплоотдачи и (а следовательно, и коэффициента теплопередачи k), что бывает необходимо учитывать в расчетах.

Рассмотрим тепловой расчёт рекуперативного теплообменника при следующих упрощающих задачу допущениях:

1) площадь рабочей поверхности теплообмена одинакова для обоих теплоносителей;

2) агрегатное состояние теплоносителей и их физические свойства не изменяются от входа до выхода теплообменника;

3) коэффициент теплопередачи k имеет одинаковое значение на всей рабочей поверхности теплообменника.

Различают проектировочный и поверочный тепловые расчёты теплообменных аппаратов.

Цель проектировочного теплового расчёта состоит в определении потребной площади рабочей поверхности теплообменника, которая является одним из основных параметров при его проектировании.

Поверочный расчёт выполняется обычно для существующего (или уже спроектированного) теплообменника с известной площадью рабочей поверхности. Задачей расчёта является оценка возможности обеспечения требуемых конечных температур теплоносителей и соответственно определение теплового потока в теплообменнике.

В качестве исходных данных для теплового расчёта должны быть заданы (или предварительно определены):

1) род теплоносителей и их начальные температуры;

2) расходы теплоносителей и их водяные эквиваленты;

3) схема течения теплоносителей через теплообменник;

4) коэффициент теплопередачи через стенки теплообменника (определяемый по формулам конвективного теплообмена и теплопередачи, которые приведены в главах 10 и 12).

Проектировочный расчёт.Для определения потребной площади рабочей поверхности теплообменника к указанным выше исходным данным необходимо добавить значение теплового потока через эту поверхность (или потребное изменение температуры одного из теплоносителей).

Располагая всеми указанными исходными данными, следует, используя соотношение (14.2), найти температуры теплоносителей на выходе из теплообменника (если задан тепловой поток) или тепловой поток (если задано потребное изменение температуры одного из теплоносителей). А далее по формулам (14.9) или (14.10) определить значение среднего температурного напора. После этого площадь рабочей поверхности теплообменника вычисляется с использованием формулы (14.4), согласно которой

= .

В процессе проектирования исходные данные для расчёта могут корректироваться с целью получения требуемых габаритно-массовых и других характеристик теплообменника. С учётом новых исходных данных тепловой расчет уточняется и, таким образом, путём последовательных приближений определяется искомое значение , удовлетворяющее требованиям к проектируемому теплообменнику.

Поверочный расчёт. Как указывалось выше, поверочный расчёт проводится для выполненного или спроектированного теплообменника с известным значением площади рабочей поверхности . Это делается, когда возникает необходимость определить возможность его использования в других (по сравнению с расчётными) условиях или в других теплообменных системах.

Определение теплового потока и конечных температур теплоносителей в данном теплообменнике при известных значениях их начальных температур, площади теплообмена и коэффициента теплопередачи k может быть выполнено, например, следующим образом:

1. По формуле (14.11) определяется Q и, задаваясь ориентировочным значением степени регенерации данного теплообменника, находится значение теплового потока .

2. При известных значениях начальных температур теплоносителей ( и ) и их водяных эквивалентов ( и ) по формуле (14.2) находятся конечные температуры теплоносителей и .

3. Определяются температурные напоры на входе и на выходе теплообменника, а затем – средний температурный напор в теплообменнике [например, для прямоточной схемы – по формуле (14.9)].

4. При известных значениях по формуле (14.4) определяется уточнённое значение теплового потока Q.

5. Если данное значение Q отличается от найденного в начале расчёта (по ориентировочной степени регенерации) больше, чем допускается требуемой точностью расчёта, то расчет повторяется, начиная с п.2, при новом значении Q (проводится второе приближение).

Такие последовательные приближения проводятся до достижения требуемой сходимости результатов расчёта.