1.2.1.3 Конструктивный и тепловой расчет
рекуперативных
теплообменников
Основными требованиями, предъявляемыми к рекуперативным подогревателям, относятся:
·
высокая
тепловая производительность;
·
обеспечение
заданных технологических условий и параметров;
·
простота
конструкции;
·
экономичность
и надежность;
·
малый
вес аппарата (малая материалоемкость);
·
удобство
монтажа и ремонта;
·
длительный
срок эксплуатации;
·
соответствие
требованиям охраны труда;
·
эстетичность.
О сложной взаимосвязи указанных требований можно судить по экономическому фактору. Так, например, в кожухотрубчатых рекуператорах уменьшения поверхности нагрева (то есть, металлоемкости и веса аппарата) можно достичь за счет уменьшения диаметра труб, увеличения скорости движения теплоносителя, уменьшения давления теплоносителей, увеличения разности температур теплоносителей. Однако каждый из этих способов ведет к изменению капитальных вложений и эксплуатационных расходов (пример влияния отдельных факторов приведен в конспекте лекций «Теоретические основы теплоэнергетики» [10, стр.17]).
1.2.1.3.1
Конструктивный расчет теплообменников РКНД
Конструктивный расчет РКНД проводится для определения поверхности нагрева F и основывается на теории тепломассообмена [11].
Расчет основан на
использовании:
а) уравнения теплового
баланса:
,
кДж/ч
(кВт), (1.80)
б) уравнения теплопередачи:
,
кДж/ч (кВт), (1.81)
где 
- расход первого и
второго теплоносителя, кг/ч (кг/с),
- разность энтальпий первого и второго
теплоносителей на входе и выходе РКНД, кДж/кг,
- коэффициент теплопередачи, 
,
- средняя разность температур теплоносителей (средний температурный
напор), К.
При учете
потерь тепла в окружающую среду в уравнение 1.80 вводится коэффициент 
, представляющий собой тепловой к.п.д. аппарата и имеющий
величину меньше 1 (0,97-0,99).
При значительном изменении
температуры теплоносителей вдоль поверхности нагрева определяется средний
температурный напор 
путем разбиения
кривых 
и 
на участки, где эти
температуры принимаются постоянными.
Средний температурный напор
определяется в зависимости от характера изменения теплоносителей и схемы их
движения относительно друг друга (прямоток, противоток, сложное движение):
а) 
, если 
(1.82)
б) 
, если 
(1.83)
При сложном движении теплоносителей относительно друг друга средний температурный напор рассчитывается по формулам 1.82 и 1.83 с учетом поправочных коэффициентов P и R [11].
Для расчета
используется коэффициент теплопередачи для плоских поверхностей и круглых труб 
:
, 
, (1.84)
где 
- коэффициенты теплоотдачи первого и второго теплоносителей,
,
- толщина и
коэффициент теплопроводности материала разделяющей стенки,
- термическое
сопротивление загрязнения поверхности нагрева (зола, накипь).
Входящие
в формулу 
и 
определяются из
критериального уравнения:
, (1.85)
где 
- критерий Рейнольдса, выражающий отношение сил инерции силы
вязкого трения,
- критерий Прандтля, характеризует
теплофизические свойства жидкости (теплоносителя),
- критерий Галилея,
- критерий Пекле,
- критерий Грасгофа, характеризует отношение подъемной силы,
возникающей в результате теплового расширения жидкости, и силы вязкости,
l, d – определяющий геометрический размер,
- коэффициент
теплопроводности жидкости (теплоносителя),
- коэффициенты
кинетической и динамической вязкости жидкости,
– скорость движения и
плотность теплоносителя,
– коэффициент
температуропроводности теплоносителя,
β – коэффициент температурного расширения,
- температурный
напор.
Критериальное уравнение задается в виде:
, (1.86)
где с – постоянный коэффициент, определяемый для конкретного вида конвективного теплообмена из справочной литературы [12].
При
известных 
и Q по
уравнению 18.1 можно определить поверхность теплообмена F. По
известной F рассчитывается число труб, их
размещение в трубной доске, число «ходов» (теплоносителя), длина труб и высота
теплообменника и т.д. Так, например, число труб определяется по формуле:
. (1.87)
При конструктивном расчете принимается:
·
;
· коэффициент эстетичности, равный отношению длины труб к диаметру трубной доски (в теплоэнергетике ε = 1,5-2,5).
1.2.1.3.2 Тепловой и конструктивный расчет
теплообменников РКПД
Нагрев в теплообменниках РКПД осуществляется при переменном тепловом режиме, в связи с чем формулы, используемые для расчета РКНД, не применимы.
Расчет ВА и ВК при паровом и водяном обогреве различен.
а) Водонагреватель-аккумулятор при паровом обогреве
При паровом обогреве ВА греющий пар конденсируется, отдавая нагреваемой воде скрытую теплоту парообразования (рисунок 1.45).
Рисунок 1.45 – График изменения температур
теплоносителей в
водонагревателе-аккумуляторе с паровым
обогревом
Текущий
температурный напор 
с течением времени
уменьшается и, следовательно, уменьшаются D и Q.
Уравнения
теплопередачи и теплового баланса ВА для бесконечно малого промежутка времени 
записываются
следующим образом:
, (1.88)
где 
- энтальпия конденсата греющего пара.
Удельная теплопроизводительность ВА (в единицу времени и на 1˚К) определяется по формуле:
. (1.89)
За весь период нагрева:
. (1.90)
После интегрирования получим:
(1.91)
Коэффициент
теплопередачи k определяется по формуле для плоской стенки, причем коэффициент
теплоотдачи от стенки к жидкости 
определяется по 
. Последняя равна средней температуре воды за время нагрева:
. (1.92)
Изменение температуры воды с течением времени можно найти по формуле:
. (1.93)
Расход пара в течение всего периода нагрева воды изменяется и в любой момент времени может быть найден по формуле:
. (1.94)
б)
Водонагреватель-аккумулятор при водяном обогреве
При
водяном обогреве расчет ВА усложняется, так как средняя температура греющей
воды с течением времени изменятся при постоянном расходе 
и начальной температуры 
нагреваемой воды
(рисунок 1.46).
Уравнение теплового баланса и теплопередачи для ВА с паровым подогревом:
. (1.95)
Текущий температурный напор определяется по формуле:
(1.96)
.
Рисунок 1.46 – График изменения температур
теплоносителей в
водонагревателе-аккумуляторе с водяным
обогревом
Удельная теплопроизводительность аппарата равна:
(1.97)
в)
Реакционный аппарат периодического действия
В реакционных аппаратах необходимо нагревать не только воду (технологическую жидкость), но и технологический материал. Технология тепловой обработки заключается в быстром нагреве аппарата, жидкости и материала в начальной стадии процесса, а затем выдержка материала при заданной температуре в течение определенного времени.
Расчет производится через общий вес аппарата, равный сумме масс обрабатываемого материала, технологической жидкости, конструкции аппарата, тепловой изоляции:
. (1.98)
Расчетная теплоемкость реакционного аппарата определяется как средняя:
. (1.99)
Для
приближенных расчетов F и Q для
расчета водонагревателей-аккумуляторов, заменив 
на 
. При расчете необходимо учитывать тепло химических реакций.
Время
работы реакционных аппаратов складывается из периода разогрева и периода
установившегося режима. В последнем тепло расходуется на компенсацию тепловых
потерь в окружающую среду и на осуществление в материале эндотермических
реакций 
, если они имеют место в процессе тепловой обработки.
График
расхода тепла 
и греющего
теплоносителя 
представлен на
рисунке 1.47.
Рисунок 1.47 – Расходы тепла (а) и греющего
теплоносителя (б)
в реакционном аппарате РКПД
Для выравнивания расхода пара и тепла на производстве при большом количестве РКПД реакционные аппараты включаются последовательно, как это показано на рисунке 1.47 «б».