Конструктивный расчет теплообменников: определение тепловой производительности

Расчет теплообменников нужно делать для того, чтобы можно было определить оптимальные геометрические размеры устройства и получить от него нужную тепловую производительность. Есть типовая схема последовательности действий при расчете теплообменника, которая включает несколько этапов.

Первый этап – это уточнение тепловой и технологической схемы, в которую входит агрегат. Здесь оценивают уровень тепловых потерь, принимая во внимание совокупность всех факторов. После этого, исходя из значений материального баланса, устанавливают необходимый расход теплоносителей, определяя их начальные и конечные температурные режимы, составляя теплобаланс и определяя тепловую на них нагрузку.

Рассчитывая теплообменники, нужно учитывать параметры теплоносителей:

• начальная и конечная температуры
• токсичность
• степень агрессивного воздействия конструкции теплообменника на материалы
• общие физико-химические свойства.

На основании полученных результатов выбирают затем материалы, из которых будет сделана конструкция. Важно правильно выбрать направление движения теплоносителей относительно друг друга. Тут нужно обратить внимание на такие факторы, как:

• конструктивные особенности теплообменника
• данные о рекуперации тепла
• свойства теплоносителей и температура каждого из них.

Практика показывает, что предпочтение лучше отдать противоточному направлению движения теплоносителей, поскольку это позволяет повысить тепловую их производительность либо уменьшить рабочую их поверхность. При этом также увеличивается перепад температур, а значит, уменьшается расход теплоносителя, и снижаются энергозатраты на его транспортировку. Можно выбрать продольное или поперечное омывание трубных пучков теплоносителем снаружи. Специальные расчеты покажут, какой тип будет выгоднее в конкретном случае.

Нужно также вычислить среднюю разницу между температурными режимами теплоносителей. А после этого определить термическое сопротивление теплообменных поверхностей. Для этого нужно оценить коэффициенты теплопередачи при контакте теплоносителя со стенками теплообменника.

Определяя средний коэффициент нужно учесть и степень загрязняемости поверхности конструкции. Точным этот расчет может быть только тогда, когда уже выбран тип конструкции. Далее необходимо еще раз провести оценку данных о пригодности выбранного для создания теплообменника материала. Если разница между показателями начального и повторного расчета будет слишком велика, то нужно выбирать другой материал и проводить уточняющий расчет еще раз.

После этого для теплообменных поверхностей устанавливают эскизное значение и средние температуры теплоносителей. Эти данные получают, высчитывая разницу между начальной и конечной температурами при неизменном агрегатном состоянии теплоносителя. если агрегатное состояние меняется, то температуру определяют на основании показателей температуры кипения, которая зависит от состава теплоносителя и давления в теплообменнике.

После установления температурных значений, устанавливают значения плотностей теплоносителей и их объемы в секунду. Если плотность меняется при изменении температур, то значение секундного объема устанавливают учитывая среднюю, конечную и начальную температуры.

Следующий этап – выбор скорости циркулирующего теплоносителя. если теплообменник кожухотрубного типа, то можно выбирать оптимальную скорость только для того теплоносителя, движущегося внутри трубного пучка. В других типах теплообменников скорость высчитывается в зависимости от распределения труб в трубных решетках. При определении максимально допустимой скорости нужно учитывать следующие факторы:

• гидравлическое сопротивление агрегата
• эрозийность труб теплообменника под воздействием теплоносителя.

Также нужно рассчитать т динамический напор потока греющей среды на трубу. Далее нужно сделать следующее:

•  выбрать пространство теплообменного аппарата, в которое будет направляется теплоноситель
• установить диаметр труб и их длину, а также необходимость ее уменьшения
• способ расположения труб
• способ их крепления и разбивки
• расположение перегородок в крышках и трубных перегородках (для многоходовых подогревателей)

Последним этапом расчета станет создание эскиза. Тут также окончательно устанавливаются все важные показатели: количество труб, тип крышки теплообменника и другие параметры.