Тепловой расчет и выбор аппаратов

Цель теплового расчета - определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамиче­ским условиям процесса, и выбор стандартизированного теплообменника. Из основного уравнения теплопередачи.

где F - площадь теплопередающей поверхности, м, Q - теп­ловая нагрузка аппарата, Вт; К - коэффициент теплопередачи, Вт(м-К): Дц, - средний температурный напор, К или °С.

1.1. Определение тепловой нагрузки аппарата

Для обогрева теплообменных аппаратов в качестве горячих теплоносителей в химической и пищевой промыш­ленности используют водяной пар, пары органических ве­ществ (спирта, толуола, бензола, хлороформа и т.п.) и жид­кие теплоносители (расплавы солей, органические вещест­ва, масла, вода и т.п.). Обычно нагревают жидкие и газооб­разные теплоносители (различные продукты и полуфабри­каты, вода, воздух и т.п.). В некоторых процессах теплоно­ситель переходит в твердое состояние (вымораживание, кристаллизация) или обратно превращается в жидкое или газообразное (плавление, сублимация).

Температуру горячего теплоносителя обозначают бу­квой Т, холодного - t. Индекс "н" соответствует температу­ре, расходу или другой величине, характеризующей тепло­носитель на входе в аппарат, индекс "к" - на выходе из ап­парата. Рассмотрим случай обогрева аппарата перегретым паром с последующим охлаждением его до температуры

насыщения Т_н, конденсацией и охлаждением конденсата до некоторой конечной температуры Т_к (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Характер изменения температуры горячего те­плоносителя вдоль поверхности

Тепловые нагрузки по зонам

                                                   (1.2)
                                                   (1.3)
                                                   (1.4)
где D - массовый расход пара, кг/с; J_n, J_H и J_K — удельная эн­тальпия соответственно перегретого пара, насыщенного па­ра и конденсата, Дж/кг; г - удельная теплота конденсации пара, Дж/кг; с_к - средняя удельная теплоемкость конденса­та, Дж/(кг-К).

Общая тепловая нагрузка аппарата в этом случае оп­ределиться как сумма тепловых нагрузок в каждой зоне. При эксплуатации теплообменных аппаратов в различных отраслях химической и пищевой промышленности для их обогрева может быть использована теплота первой и вто­рой, второй и третьей или отдельно каждой из зон аппарата. Необходимо, однако, помнить, что применение второй зоны (конденсация пара) обеспечивает максимальное получение теплоты. Например, 1 кг пара при давлении 0,2 МПа конденсируясь выделяет 2208 кДж теплоты, температура обра­зовавшегося конденсата при этом равна температуре пара. Далее, охлаждаясь на 1 К, 1 кг конденсата выделяет 4,186 кДж теплоты, т.е. в 500 с лишним раз меньше. При охлаждении перегретого пара теплоты выделяется еще меньше.

1.2. Определение расходов и температур теплоносителей.

Неизвестные расходы или температуры теплоносите­лей, а также потери теплоты в окружающую среду опреде­ляют из уравнения теплового баланса

                                                 (1.5)

На рис. 1.2 показан характер изменения температур теплоносителей [34] при нагревании холодного теплоноси­теля от температуры ti до теплотой, выделяющейся при охлаждении перегретого пара, его конденсации и охлажде­нии конденсата.

Рис. 1.2. Изменение температур теплоносителей вдоль поверхности

Общая тепловая нагрузка

                                                                   (1.6)

     где G_хол и с_хол - соответственно массовый расход и средняя удельная теплоемкость холодного теплоносителя, кг/с и Дж/(кг∙К); х = 1,03 - 1,05 - коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

Для определения температур холодного теплоносите­ля при переходе его из одной зоны в другую (t_x, t_y) состав­ляют уравнения теплового баланса по зонам:

                                        (1.7)