расчет площади теплообмена теплообменника

Видео:Расчет и выбор теплообменникаСкачать

Расчет поверхности теплообменника

Видео:Как посчитать теплообменник лучше любого проектировщикаСкачать

Как рассчитать площадь теплообменника.

Что бы её определить используется следующая формула расчета теплообменника, т.е. его поверхности:

K – это коэффициент ( коэф-т) теплопередачи, t_ср – общая средняя разность температур между близлежащими теплоносителями, а F – площадь теплообмена в метрах квадратных.

Данное уравнение рассчитывает площадь пов-ти, которая непосредственно принимает участие в передаче тепла от горячей поверхности к холодной. Теплоотдачу от источника тепла к стенке так же необходимо учитывать, её теплопроводность и уровень теплоотдачи от неё к холодному теплоносителю.

Во время проведения предварительных/проверочных расчетов для простоты расчетов применяют относительные ( не точные) значения коэф-та теплопередачи. В них используются величины конденсации водяного пара – от 4000 до 15 000 Вт/ ( м^2К), если вода проходит через трубу, то – от 1200 до 5800 Вт/ ( м^2К), для определения теплопередачи пара к воде – K=800-3500 Вт/ ( м^2К).

Выполняя расчет поверхности теплообменника для ТЭЦ, этот коэф-т рассчитать проблематично, поэтому определение коэф-та K, для большей точности производится следующим образом:

K=1/ (1 /α_1 +δ /λ_ст +1/α_2)

α_ (1 ,2) — это показатели коэф-та теплоотдачи греющего и греемого теплоносителя Вт/ ( м^2*К),δ_ ( ст.) — размер толщины стенки трубы в метрах,λ_ ( ст.) – коэф-т теплопроводности используемого материала трубы Вт/ ( м*К). Помимо всего прочего необходимо учесть показатель термического сопротивления загрязнений ( накипи и др.), скапливающихся на пов-ти — R_заг, который рассчитывается следующим образом:

R_заг =δ_1/λ_1 +δ_2/λ_2

δ_ (1 ,2) — загрязнения ( толщина его слоя) изнутри и снаружи трубки в метрах

λ_ (1 ,2) — коэффициент его теплопроводности, Вт/ ( м*К)

Что бы произвести расчет теплообменника, его площади используется формула:

Как рассчитать или откуда взять показатели Q и K сказано чуть ранее. Показатель разницы температур (t_ ср) – рассчитывается при помощи средне — логарифмичной или арифметической формулам. K ( коэффициент теплоотдачи) – так же необходимо рассчитывать отдельно по эмпирическим формулам или при помощи числа Нуссельта (Nu ), используя уравнения подобия.

Видео:Как рассчитать мощность пластинчатого теплообменника? Формула для расчёта.Скачать

Расчет площади теплообменника

Главное условие стабильной, эффективной работы системы теплообмена — это подбор теплообменных агрегатов с учетом точного соответствия конкретным эксплуатационным и техническим требованиям. Ключевым фактором для такого подбора является расчет площади теплообменника.

Конечно, существуют определенные стандарты, с универсальными параметрами, по которым можно подобрать оборудование для своего объекта. Тем не менее, часто в этой сфере индивидуальный подход более чем оправдывает себя. Проведение измерений и расчетов по конкретным данным позволяет получить максимальную отдачу от системы теплообмена. Кроме того, подобные вычисления попросту необходимы, если речь идет о работе по техническому заданию со строго обозначенными параметрами.

Методика расчета теплообменника предполагает несколько этапов.

Видео:Теплообменник для нагрева воды (площадь теплообмена 1,09 м2)Скачать

Определение количества теплоты

Уравнение передачи тепла, используемое для установившихся единиц времени и процессов выглядит следующим образом:

В данном уравнении:

• К — значение коэффициента теплопередачи (выражается в Вт/(м2/К));
• tср — средняя разность температурных показателей между разными теплоносителями (величина может даваться как в градусах по Цельсию (0С), так и в кельвинах (К));
• F — значение площади поверхности, для которой происходит теплообмен (значение дается в м2).

Уравнение позволяет описать процесс, в ходе которого происходит передача теплоты между теплоносителями (от горячего — к холодному). Уравнение учитывает:

• отдачу тепла от теплоносителя (горячего) к стенке;
• параметры теплопроводности стенки;
• отдачу тепла от стенки к теплоносителю (холодному).

Видео:Расчет теплообменного аппаратаСкачать

Определение коэффициента теплопередачи

Для предварительных расчетов теплообменного оборудования и разного рода проверок применяют ориентировочные значения коэффициентов, стандартизированные для определенных категорий:

• коэффициенты теплопередачи для процесса конденсации паров воды — от 4000 до 15000 Вт/(м2К);
• коэффициенты теплопередачи для воды, движущейся по трубам — от 1200 до 5800 Вт/(м2К);
• коэффициенты теплопередачи от парообразного конденсата к воде — от 800 до 3500 Вт/(м2К).

Точный расчет коэффициента теплопередачи (К) производится по следующей формуле:

В данной формуле:

• α1 — коэффициент теплоотдачи для греющего теплоносителя (выражается в Вт/(м2К));
• α2 — коэффициент теплоотдачи для нагреваемого теплоносителя (выражается в Вт/(м2К));
• δст — параметр толщины стенок трубы (выражается в метрах);
• λст — коэффициент теплопроводности материала, использованного для трубы (выражается в Вт/(м*К)).

Такая формула дает «идеальный» результат, обычно несоответствующий на 100% реальному положению дел. Поэтому в формулу добавляется еще один параметр — Rзаг.

Это показатель термического сопротивления различных загрязнений, формирующихся на нагревающихся поверхностях трубы (т.е. обычной накипи и др.)

Формула для показателя загрязнения выглядит так:

В данной формуле:

• δ1 — толщина слоя отложений на внутренней стороне трубы (в метрах);
• δ2 — толщина слоя отложений на внешней стороне трубы (в метрах);
• λ1 и λ2 — значения коэффициентов теплопроводности для соответствующих слоев загрязнений (выражаются в Вт/(м*К)).

Видео:16. Основы теплотехники. Теплообменные аппараты. Конструкция и расчёт теплообменников.Скачать

Методика расчета теплообменника (площади поверхности)

Итак, мы рассчитали такие параметры, как количество теплоты (Q) и коэффициент теплопередачи (K). Для окончательного вычисления дополнительно потребуется разность температур (tср) и коэффициент теплоотдачи.

Итоговая формула расчета теплообменника пластинчатого (площади теплопередающей поверхности) выглядит так:

В данной формуле:

• значения Q и K описаны выше;
• значение tср (средняя разность температур) получают по формуле (среднеарифметической либо среднелогарифмической);
• коэффициенты теплоотдачи получают двумя способами: либо с помощью эмпирических формул, либо через число Нуссельта (Nu) с использованием уравнений подобия.

Видео:Как правильно подобрать пластинчатый теплообменник?Скачать

Базовые понятия теплообмена для расчета теплообменников

Когда проводится расчет теплообменников, используются базовые знания о законах теплообмена, открытые на сегодняшний день.

В частности используются такие понятия как удельная теплоемкость и теплосодержание (энтальпия), а также удельная теплота химических превращений (и фазовых превращений).

Под удельной теплоемкость понимается количество тепла, которое необходимо для нагрева одного килограмма вещества ровно на один градус. На основании данных о теплоемкости можно судить об интенсивности аккумулирования тепла.

При тепловых расчетах используются средняя теплоемкость, исчисляемую в заданном температурном интервале.

Под понятием удельной энтальпии понимается количество тепла, которое потребуется для нагрева одного килограмма от нуля до заданной температуры.

Под удельной теплотой химических превращений понимается то количество тепла, которое будет выделяться при химической трансформации одной единицы массы данного вещества.

Под удельной теплотой фазовых превращений понимается то количество тепла, которое будет поглощаться или выделяться при изменении агрегатного состояния единицы массы данного вещества.

Видео:Тепловой расчет теплообменника. Виды тепловых расчетов. Показатели для расчета теплообменника.Скачать

Расчет теплообменников и различные методы составления теплового баланса

При расчете теплообменников могут использоваться внутренний и внешний методы составления теплового баланса. При внутреннем методе используются величины теплоемкостей. При внешнем методе используются величины удельных энтальпий.

При применении внутреннего метода тепловая нагрузка рассчитывается по разным формулам, в зависимости от характера протекания теплообменных процессов.

Если теплообмен происходит без каких-либо химических и фазовых превращений, а соответственно и без выделений или поглощений тепла.

Соответственно тепловая нагрузка рассчитывается по формуле

Если в процессе теплообмена происходит конденсация пара или испарение жидкости, протекают какие-либо химические реакции, то используется другая форму для вычисления теплового баланса.

При использовании внешнего метода расчет теплового баланса ведется на основании того, что в теплообменный аппарат за какую-то единицу времени поступает и выходит равное количество тепла.
Если при внутреннем методе используются данные о теплообменных процессах в самом агрегате, то при внешнем методе используются данные внешних показателей.

Для расчета теплового баланса по внешнему методу используется формула
.

Под Q1 подразумевается то количество тепла, которое поступает в агрегат и ходит из него за единицу времени.
Под подразумевается энтальпия веществ, которые входит в агрегат и выходят из него.

Можно также вычислить разность энтальпий для того, чтобы установить то количество тепла, которое было передано между разными средами. Для этого используется формула .

Если же в процессе теплообмена происходили какие-либо химические или фазовые превращения, используется формула.

Видео:Расчет теплообменного аппаратаСкачать

Механизмы теплопередачи в расчете теплообменников

Теплообмен осуществляется посредством трех основных видов теплопередачи. Это конвекция, теплопроводность и излучение.

При теплообменных процессах, которые протекают по принципам механизма теплопроводности передача тепла происходит как перенос энергии упругих колебаний молекул и атомов. Данная энергия переходит от одних атомов к другим в направлении уменьшения.

При проведении расчетов параметров передачи тепла по принципу теплопроводности используется закон Фурье:.

Для вычисления количества тепла используются данные о времени прохождения потока, площади поверхности, градиенте температуры, а также о коэффициенте теплопроводности. Под градиентом температуры понимается ее изменение в направлении теплопередачи на одну единицу длины.

Под коэффициентом теплопроводности понимается скорость теплообмена, то есть то количество тепла, которое проходит через одну единицу поверхности в единицу времени.

При любых тепловых расчетах учитывается, что самый большой коэффициент теплопроводности имеют металлы. Различные твердые тела имеют гораздо меньший коэффициент. А у жидкостей этот показатель, как правило, ниже, чем у любого из твердых тел.

При расчете теплообменников, где передача тепла от одной среды к другой идет через стенку, также используется уравнение Фурье для получения данных о количестве передаваемого тепла. Оно вычисляется как количество тепла, которое проходит через плоскость с бесконечно малой толщиной:
.

Если проинтегрировать показатели температурных изменений по толщине стенки, получится

Исход из этого получается, что температура внутри стенки падает по закону прямой линии.

Конвекционный механизм передачи тепла: расчеты

Еще один механизм передачи тепла – конвекция. Это передача тепла объемами среды посредством их взаимного перемещения. При этом передача тепла от среды к стенке и наоборот, от стенке к рабочей среде называется теплоотдачей. Чтобы определить количество тепла, которое передается, используется закон Ньютона

В данной формуле a — это коэффициент теплоотдачи. При турбулентном движении рабочей среды этот коэффициент зависит от многих дополнительных величин:

• физических параметров текучей среды, в частности теплоемкости, теплопроводности, плотности, вязкости;
• условий омывания газом или жидкостью теплоотдающей поверхности, в частности скорости текучей среды, ее направления;
• пространственных условий, которые ограничивают поток (длина, диаметр, форма поверхности, ее шероховатости).

Следовательно, коэффициент теплоотдачи — функция многих величин, что показано в формуле

Метод анализа размерностей позволяет вывести функциональную связь критериев подобия, которые характеризуют теплоотдачу при турбулентном характере движения потока в гладких, прямых и длинных трубах.

Это вычисляется по формуле
.

Коэффициент теплоотдачи в расчете теплообменников

В химической технологии нередко встречаются случаи обмена тепловой энергией между двумя текучими средами через разделяющую стенку. Теплообменный процесс проходит три стадии. Тепловой поток для установившегося процесса остается неизменным.

Проводится расчет теплового потока, проходящего от первой рабочей среды к стенке, затем через стенку теплопередающей поверхности и затем от стенки ко второй рабочей среде.

Соответственно для проведения расчетов используется три формулы:

В результате совместного решения уравнений получаем

Величина

и есть коэффициент теплопередачи.

Расчет средней разности температур

Когда при помощи теплового баланса определено необходимое количество тепла, необходимо провести расчет поверхности теплообмена (F).

При расчете необходимой теплообменной поверхности используется то же уравнение, что и при предыдущих расчетах:

В большинстве случаев температура рабочих сред будет меняться в процессе протекания теплообменных процессов. Значит вдоль теплообменной поверхности будет меняться разность температур. Поэтому проводится расчет средней разности температур. А в связи с тем, что изменение температур не линейно, рассчитывают логарифмическую разность
. В отличие от прямоточного потока, при противоточном движении рабочих сред необходимая площадь теплообменной поверхности должна быть меньше. Если в одном и том же ходу теплообменника используется и прямоточный, и противоточный потоки, разность температур определяется, исходя из соотношения
.

🔥 Видео

Вебинар на тему: "Подбор теплообменников в расчетной программе ООО "Завод Теплосила".Скачать

Инструкция по расчету теплообменникаСкачать

Виды теплообменников (теплообменных аппаратов)Скачать

Расчет кожухотрубного теплообменникаСкачать

Лабораторная работа №3. Тепловой расчет теплообменника программном модуле FLOW SIMULATIONСкачать

Как рассчитать радиаторы для домаСкачать

Конструкции кожухотрубных теплообменниковСкачать

Расчет теплообменника для среды подаваемой в маточникСкачать

Устройство и Принцип работы пластинчатого теплообменникаСкачать

SOLIDWORKS Flow Simulation: расчет теплообменникаСкачать

Расчет/Моделирование кожухотрубчатого теплообменника нагрева битума с использованием Aspen EDRСкачать