Конструктивный метод расчета

Как и другие инженерные задачи, расчёт теплообменного аппарата является многовариантным, т.е. поставленная задача может быть решена множеством различных конструкций.

На начальном этапе проектирования, когда не известны конструктивные размеры будущего ТА, приходится задаваться рядом параметров и использовать приближённые значения величин. Поэтому полученный резуль-тат может не соответствовать заданию. При больших расхождениях при-ходится прибегать к методу последовательных приближений. По получен-ным в результате расчёта размерам уточняются значения первоначально принятых величин и подставляются в качестве исходных в последующее приближение. Расчёт повторяется. Обычно достаточно 1—2 приближения. В пояснительной записке должен быть приведён весь ход расчёта.

Задача конструктивного расчета состоит в определении при номинальном режиме и заданной тепловой производительности геометрических размеров теплообменника.

Длительный опыт проектирования теплообменников позволил реко-мендовать следующую последовательность в проведении теплового и конст-руктивного расчетов рекуперативных теплообменных аппаратов (предлагае-мая последовательность может быть положена в основу выбора, проектиро-вания, составления программы и расчета на ЭВМ также и других типов теп-лообменников):

3.1 Уточняют технологическую и тепловую схемы, в которых одним из элементов является рассматриваемый теплообменный аппарат.

3.2 Оценивают величину продувок, дренажей, сливов, проб и других по-терь и составляют схемы тепловых и материальных потоков для рассчиты-ваемого аппарата.

3.3 Составляют тепловой баланс аппарата, после которого уточняют теп-лопроизводительность, расходы, начальные и конечные температуры тепло-носителей, их физико-химические свойства, токсичность и агрессивность по отношению к конструкционным материалам.

3.4 Определяют сообразно с технологическими свойствами теплоносите-лей конструкцию теплообменника, а по химической агрессивности выбирают конструкционные материалы для его изготовления.

3.5 Выбирают в зависимости от свойств и температуры теплоносителей, степени рекуперации теплоты и конструктивной схемы теплообменника на-правление относительного тока обменивающихся теплотой веществ. Проти-воточное движение теплоносителей всегда должно быть наиболее желатель-ным при проектировании нового теплообменника, так как при прочих равных условиях оно способствует повышению тепловой производительности – Q, или уменьшению рабочей поверхности аппарата – F.

Если по технологическим, конструктивным или компоновочным соображе-ниям направить теплоносители противотоком невозможно, необходимо

стремиться к много перекрестному току с обменом теплотой на общем про-тивоточном принципе. Направление тока теплоносителей не имеет сущест-венного значения в теплообменниках с изменением агрегатного состояния хотя бы одного из двух теплоносителей,

Направление тока теплоносителей оказывает влияние не только на общую тепловую производительности аппарата Q, но и на изменение температур те-плоносителей ∆t₁ и ∆t₂. А увеличение перепадов температуры при неизмен-ной тепловой производительности приводит к уменьшению расходов тепло-носителей G₁ и G₂ и затрат на энергию для их транспортировки. В решении вопроса выбора тока теплоносителя относительно поверхности теплообмена при наружном омывании пучка труб следует руководствоваться следующим правилом: при отношении Nu/Pr^0.4 >58 выгоднее продольное, а при Nu/Pr^0.4 <58 — поперечное омывание.

3.6 Определяют среднюю разность температур теплоносителей ∆t _ср ^..

3.7 На основе опыта или с помощью справочников по теплопередаче ориентировочно оценивают значения коэффициентов теплоотдачи для теплоносителей как от горячего к стенке (α₁), так и от стенки к холодному (α₂). Ниже только для сведения приведены средние значения α, (прямо использовать их в расчёте нельзя, поскольку они имеют очень большой диапазон изменения).

Таблица 5

3.8 Определяют термическое сопротивление поверхности теплообмена вместе с загрязнениями на обеих ее сторонах:

Ориентировочные значения коэффициента теплоотдачи α, Вт/(м²х К)

где:

б — толщина каждого слоя, составляющего стенку, м;

λ — коэффициент теплопроводности материала каждого слоя, Вт/(м-К).

Таблица 6

Коэффициент теплопроводности

Материал	Теплопровод-ность, Вт/(м К)
Гипс	0,28
Сажа	0,03
Лед	2,26
Мел	0,93
Накипь котельная	1,3—3,1
Песок влажный	1,13
Песок сухой	0,33
Алюминий
Латунь	85,5
Медь
Никель
Сталь	45,4
Нержавеющая сталь	16,0—27,6
Чугун	62,8

3.9 С учетом загрязненности поверхности определяют ориентировочные значения коэффициента теплопередачи k для плоской стенки

(3.1)

для цилиндрической стенки

(3.2)

где d_ср,d_вн, d_нар — средний, внутренний и наружный диаметры трубы, м. 3.10 По ориентировочному значению k определяют предварительное эскизное значение поверхности теплообмена F _эс.

(3.3)

3.11 Определяют средние температуры теплоносителей в аппарате. Если можно принять теплоёмкости постоянными, то среднюю температуру теплоносителей можно определить по формуле, при противотоке

(3.4)

при прямотоке

(3.5)

(3.6)

(3.7)

Достаточно, определить среднюю температуру одного теплоносителя, так как среднюю температуру другого легко найти из равенства

(3.8)

В практических расчетах, среднюю температуру теплоносителя часто определяют как среднеарифметическую начального и конечного ее значений. Такое упрощение ведет к нарушению соотношения (3.8), что затрудняет правильное определение температуры стенки. Если считать, что в большинстве случаев k сравнительно мало изменяется с температурой, неточность в определении средней температуры теплоносителя влияет на результат расчета незначительно. Поэтому при противотоке считают допустимым определять среднюю температуру теплоносителя с меньшим температурным перепадом как среднеарифметическую, а среднюю температуру другого теплоносителя — по формуле (3.8).

Практикуемый иногда способ определения средней температуры теплоноси-теля в виде среднелогарифмической, из начальной и конечной его темпера-тур, совершенно не обоснован и часто приводит к грубым ошибкам.

Для частного случая, когда коэффициенты теплоотдачи k и теплоёмкости с₁ и с₂ неизменны вдоль поверхности теплообмена и если при этом известны разницы между температурами теплоносителей на концах теплообменника, и они мало различаются, то для расчёта можно использовать диаграмму рис. 3.1