Определение тепловой нагрузки аппарата.
Тепловой нагрузкой теплообменного аппарата является та часть теплоты, которая непосредственно передается от горячего теплоносителя через стенку и воспринимается холодным теплоносителем (без учета тепловых потерь в окружающую среду).
Эта часть теплоты непосредственно определяется по уравнению теплового баланса, составляемого для каждого конкретного теплообменного процесса. Для нахождения тепловой нагрузки рекомендуется, используя изображение аппарата с обозначением всех материальных потоков и их теплофизических характеристик, составить тепловой баланс и решить его. Наилучшим вариантом составления теплового баланса считается табличный вариант с использованием в качестве основной теплофизической характеристики потока – его энтальпии. На рис. 3.1 и в таблице 3.1 представлен вариант схемы двухходового кожухотрубчатого теплообменника и таблица теплового баланса.
Рис. 3.1 Схема двухходового кожухотрубчатого теплообменника
Таблица 3.1
Таблица теплового баланса
| Стати прихода теплоты, (Вт) | Статьи расхода теплоты, (Вт) |
| 1. С горячим теплоносителем: 2. С холодным теплоносителем: | 1. С горячим теплоносителем: 2. С холодным теплоносителем: |
Составление уравнения теплового баланса:
(3.1)
(3.2)
При расчете теплового баланса в случае хорошей тепловой изоляции теплообменного аппарата величиной тепловых потерь пренебрегают или принимают их равными от теплоты, отдаваемой горячим теплоносителем. Тогда уравнение 3.2 примет вид:
(3.3)
Для решения теплового баланса необходимо уметь рассчитывать энтальпию потоков теплоносителей на входе в аппарат и на выходе из него. Энтальпии потоков определяются их составом и агрегатным состоянием теплоносителей:
1. Энтальпия газов и жидкостей:
(3.4)
где - удельная массовая теплоемкость газа или жидкости (берется при соответствующей температуре теплоносителя).
2. Энтальпия смеси рассчитывается по закону аддитивности:
(3.5)
где - энтальпии индивидуальных веществ, - массовые доли компонентов в смеси, кг/кг.
3. Энтальпия насыщенных паров:
(3.6)
где , , , - соответственно теплоемкость конденсата, температура кипения и энтальпия конденсата.
4. Энтальпия перегретых паров:
(3.7)
где - теплоемкость пара, - температура перегретого пара.
5. Энтальпия смеси паров рассчитывается в соответствии с законом адитивности.
Тепловую нагрузку Q в соответствии с заданными технологическими условиями можно найти из уравнения теплового баланса для одного из теплоносителей:
а) если агрегатное состояние теплоносителя не меняется:
(3.8)
где 1 – теплоноситель с большей средней температурой (горячий);
2 – теплоноситель с меньшей средней температурой (холодный);
б) при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата или при кипении:
(3.9)
в) при конденсации перегретых паров с охлаждением конденсата:
(3.10)
где — энтальпия перегретого пара.
Если какой-либо технологический параметр, не указан в исходном задании (расход одного из теплоносителей или одна из температур), его можно найти с помощью уравнения теплового баланса для всего аппарата в целом, приравнивая правые части уравнений (3.7) — (3.10) для горячего и холодного теплоносителей.