5.2. Основы расчета теплообменных аппаратов

Процесс теплообмена в теплообменном аппарате обычно рассматривают как состоящий из трех одновременно протекающих процессов:

– теплоотдачи от "внешнего" теплоносителя к теплообменной поверхности;

– теплопроводности через стенку, ограниченную теплообменными поверхностями;

– теплоотдачи от теплообменной поверхности к "внутреннему" теплоносителю.

Термины "внешний" и "внутренний" теплоносители являются условными, так как поток теплоты может менять направление в зависимости от температуры теплоносителей.

Теплоотдачей называют теплообмен между твердой стенкой (телом) и обтекающей ее средой.

Теплопередача – это процесс теплообмена между двумя средами, разделенными перегородкой, состоящей из одного либо нескольких слоев. Процесс прохождения потока теплоты через эту перегородку характеризуется теплопроводностью слоев.

Теплопроводность – это процесс распространения теплоты вследствие теплового движения частиц вещества.

Расчет теплообменного аппарата непрерывного действия основан на совместном решении уравнения теплового баланса и уравнения теплопередачи.

Уравнение теплового баланса для теплообменного аппарата имеет следующий вид

Q=G₁ Δi₁ =G₂ Δi₂+Q_n, (15)

где Q – количество передаваемой теплоты,

G₁, G_{2 –} расходы первичного и вторичного теплоносителей,

Δi₁, Δi₂ – изменение теплот теплоносителей,

Q_{n –} тепловые потери.

Уравнение (15) так же можно записать в виде:

Q=G₁ Δi₁ =η_гG₂ Δi_2, (16)

где η_г – коэффициент полезного действия теплообменника.

Уравнение (16) может принимать различные формы в зависимости от характера процессов в теплообменном аппарате.

При неизменном агрегатном состоянии теплоносителя

Δi = с (t₂ – t₁), (17)

где t₂, t₁ – конечная и начальная температура теплоносителей,

с – средняя теплоемкость теплоносителя в интервале температур t₁ – t₂,

При изменении агрегатного состояния теплоносителя, например, в результате конденсации

Δi = с_п (t_п – t_н) + r + с_ж(t_n – t_ж), (18)

где с_п , с_ж – средние теплоемкости перегретого пара и конденсата;

t_п , t_н , t_{ж –} температуры перегретого пара, насыщения и конденсата на выходе из конденсатора;

r – скрытая теплота парообразования (количества теплоты изменения агрегатного состояния).

Уравнение теплопередачи в общем виде можно представить следующим образом:

Q= k F Δt_ср, (19)

где k – коэффициент теплопередачи,

F – расчетная площадь поверхности теплообмена,

Δt_ср – средний температурный напор в теплообменном аппарате.