Calculul și selecția schimbătorilor de căldură
Calculul schimbătorilor de căldură
Calcule termice
Pentru a începe calculele termice ale schimbătorilor de căldură, este necesar să aveți anumite date de pornire despre purtătorii de căldură utilizați (debitul lor, temperaturile inițiale și finale, proprietățile lor fizice și chimice). Restul valorilor sunt determinate în cursul calculelor termice.
Calculele termice sunt utilizate pentru a determina caracteristicile cheie ale schimbătoarelor de căldură: sarcina lor termică, consumul purtătorilor de căldură, diferența medie de temperatură a purtătorilor de căldură, coeficientul de transfer de căldură. Calculele parametrilor enumerați se bazează pe ecuația echilibrului termic.
Vedeți mai jos un exemplu complet de calcul al schimbătoarelor de căldură.
În cadrul fiecărui schimbător de căldură are loc transferul de energie termică dintr-un flux tehnologic (purtător de căldură) în altul, ceea ce duce la încălzire sau răcire.
Q - este căldura emisă sau absorbită de purtătorul de căldură [W],
Unde
Gc, f - este consumul de purtători de căldură caldă și rece [kg/h];
сc, f - este capacitatea de căldură a purtătorilor de căldură la cald și rece [J/kg · grad];
tc, f i - este temperatura inițială a purtătorilor de căldură caldă și rece [° C];
tc, f f - este temperatura finală a purtătorilor de căldură caldă și rece [° C];
Trebuie luat în considerare faptul că căldura emisă/absorbită depinde de starea de agregare a purtătorilor de căldură. Dacă starea lor de agregare nu se modifică în cursul schimbului de căldură, se aplică formula dată. Dacă un purtător de căldură sau cei doi purtători de căldură își schimbă starea de agregare (încălzirea cu abur), calculele căldurii emise sau absorbite se efectuează conform următoarei formule:
Unde
r - este căldura condensului [J/kg];
сv, c - este capacitatea specifică de căldură a aburului și condensului [J/kg · grad];
tc - este temperatura condensului la ieșirea aparatului [° C].
Dacă condensatul nu este răcit, primul și al treilea element sunt îndepărtați din partea dreaptă a ecuației și devine următoarea ecuație:
Debitul purtătorilor de căldură se calculează după cum urmează:
În cazul încălzirii cu abur, debitul său se calculează conform formulei:
Unde
G - este debitul de transfer de căldură corespunzător [kg/h];
Q - este căldura [W];
с - este capacitatea specifică de căldură a purtătorilor de căldură [J/kg · grad];
r - este căldura condensului [J/kg];
tc, f i - este temperatura inițială a purtătorilor de căldură caldă și rece [° C];
tc, f f - este temperatura finală a purtătorilor de căldură fierbinți și reci [° C].
Forța motrice a procesului de schimb de căldură este diferența de temperatură a purtătorilor de căldură. Deoarece temperatura lor și, în mod corespunzător, diferența dintre temperaturile lor se modifică pe parcursul fluxurilor, valoarea medie a acesteia este utilizată pentru calcul. Diferența medie de temperatură în cazul fluxurilor în amonte și contracurent este calculată ca medie logaritmică:
Unde ∆ts, ∆ti sunt diferența medie superioară și diferența inferioară a temperaturilor purtătorilor de căldură la intrarea și ieșirea aparatului.
În cazul fluxurilor încrucișate și mixte ale purtătorilor de căldură, calculele se efectuează pe baza aceleiași formule care este completată de un factor de ajustare ∆tm = ∆tmfaj
Coeficientul de transfer termic se determină după cum urmează:
În ecuație:
δp - este grosimea peretelui [mm];
λp - este factorul de conductivitate termică a materialului de perete [W/m · grad];
α1,2 - sunt coeficienții de transfer de căldură ai părților interioare și exterioare ale peretelui [W/m 2 · grad];
Rcont - este factorul de contaminare a peretelui.
Calcule de proiectare
Calculele de proiectare pentru schimbătoarele de căldură pot fi aproximative și detaliate.
Calculele brute de proiectare constau în alegerea valorilor aproximative ale coeficientului de transfer de căldură al ghidajelor și determinarea suprafeței de schimb de căldură și a dimensiunii secțiunii de trecere a purtătorilor de căldură.
Valoarea aproximativă a suprafeței de schimb de căldură se calculează după cum urmează:
Secțiunea transversală a purtătorilor de căldură este determinată conform formulei:
Unde
G - este debitul transferului de căldură [kg/h];
(w ρ) - este viteza de masă a fluxului de transfer de căldură [kg/m 2 s].
Viteza de curgere este calculată în funcție de tipul de purtător de căldură:
| Tipul de transfer termic | Viteza debitului în m/s |
| Lichide vâscoase | Două ]; d - este diametrul tuburilor [m]; |
De obicei, în cazul calculatoarelor schimbătorului de căldură cu tuburi și tuburi, numărul și diametrul tuburilor sunt determinate pe baza ghidajelor.
Diametrul intern este determinat după cum urmează:
Unde:
Di - este diametrul intern al schimbătorului de căldură [m];
s - este pasul dintre tuburi [m] (de obicei 1,2 până la 1,5 dn);
de - este diametrul exterior al tuburilor [m];
b - este numărul de tuburi [m] (b = 2а-1, unde а este numărul de tuburi pe cea mai mare parte hexagonală);
Apoi se determină aria spațiului tubular și intertubular.
Unde:
St - este aria spațiului tubular [m 2];
d 2 i - este diametrul interior al tuburilor [m];
np - este numărul de tuburi dintr-o etapă;
Unde:
Sit - este suprafața spațiului intertubular [m 2];
D - este diametrul exterior al plicului [m];
de - este diametrul exterior al tuburilor [m];
n - este numărul de tuburi dintr-o etapă;
În cazul plasării pereților despărțitori longitudinali în spațiul intertubular pentru a crește intensitatea schimbului de căldură, suprafața este determinată după cum urmează.
Unde:
N - este numărul de pași în cazul partiționării;
În cursul calculelor de proiectare a bobinei schimbătorului de căldură ale bobinei, se determină lungimea totală a bobinei, numărul de ture și secțiuni.
Unde:
L - este lungimea totală a bobinei [m];
dc - este diametrul calculat al tubului bobinei [m];
Unde:
n - este numărul de ture;
Calculând debitul purtătorului de căldură și viteza de curgere a acestuia în interiorul tubului bobinei, se poate calcula numărul de secțiuni ale bobinei:
Unde:
Vs - este debitul [kg/h];
d –este diametrul tubului bobinei [m];
w - este viteza de curgere a purtătorului de căldură în interiorul tubului bobinei [m/s];
Calculele schimbătorului de căldură în spirală vă permit să determinați o serie de parametri: secțiunea canalelor, lățimea, lungimea și pasul spiralei, numărul de rotații și diametrul exterior al spiralei.
Unde
S - este secțiunea canalului [m 2];
G - este debitul transferului de căldură [kg/h];
W - este viteza de masă a fluxului de transfer de căldură [kg/m 2 · sec].
Calcule hidraulice
Când fluxurile tehnologice trec prin schimbătoarele de căldură, se dezvoltă o pierdere de presiune a fluxurilor, care se datorează rezistenței hidraulice a dispozitivului.