Тепловой расчёт теплообменников
Методика расчёта: см. Учебное пособие с.41-45
Цель – определить поверхность нагрева теплообменника (из уравнения теплопередачи)
Основной закон теплопередачи Q = k·F·∆t,
Q – тепловой поток (теплопроизводительность), Вт,
k – коэффициент теплопередачи, Вт/(м·К),
F – поверхность нагрева (теплообмена), м2,
∆t – среднелогарифмический температурный напор.
Тепловая нагрузка Q определяется, как правило, по стороне нагреваемой среды и представляет собой правую часть уравнения теплового баланса:
,
G – массовый расход, кг/с,
Ср – теплоёмкость, Дж/(кг∙К),
tвх, tвых – температура на входе и на выходе, °С,
η – коэффициент сохранения тепла (КПД).
Индекс «1» – греющая среда, «2» – нагреваемая среда.
Для процессов, протекающих с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей (например, пара – парожидкостный теплообменник):
,
D – расход пара, кг/с,
r – скрытая теплота парообразования (конденсации), Дж/кг – определяется по давлению (температуре) насыщенного пара.
Коэффициент теплопередачи
– коэффициенты теплоотдачи соответственно от греющей среды к стенке и от стенки к нагреваемой среде, Вт/(м2·К),
δ – толщина стенки, м,
– теплопроводность материала стенки, Вт/(м·К).
Коэффициенты теплоотдачи рассчитываются через критерий Нуссельта 
, который в свою очередь определяется из критериальных уравнений, представляющих в общем виде некоторую функцию:
,
где Re, Pr, Gr – критерии подобия Рейнольдса, Прантля и Грасгофа, определяющиеся из заданных условий.
Для парожидкостных теплообменников коэффициент теплоотдачи от пара к стенке определяется по формуле Нуссельта (с поправкой Михеева):
С – эмпирический коэффициент, который зависит от расположения труб;
ρ, λ, ν – плотность, теплопроводность и кинематическая вязкость пленки
конденсата;
tн, tc – соответственно температура насыщенного пара и стенки;
lопр – определяющий размер (высота или наружный диаметр трубок –
в зависимости от их расположения).
Для газо-газовых теплообменников формула для определения коэффициента теплопередача упрощается в связи с тем, что можно пренебречь термическим сопротивлением стенки:
.
У газо-жидкостных теплообменников коэффициент теплопередачи равен коэффициенту теплоотдачи с газовой стороны, поскольку можно пренебречь термическим сопротивлением и стенки, и теплоотдачи со стороны жидкости: k = αг.
Среднелогарифмический температурный напор определяется как
,
– определяются из температурного графика
(в зависимости от схемы движения теплоносителей)
В парожидкостных теплообменниках температура греющей среды (насыщенного пара) постоянна, и график температурного напора выглядит следующим образом:
В некоторых жидкостно-жидкостных теплообменниках (например, в маслоохладителе) практически не изменяется температура охлаждающей воды – внизу горизонтальная линия:
В общем случае, температурный напор определяется схемой движения теплоносителей (прямоток или противоток):
Прямоток
Противоток
После определения тепловой нагрузки, коэффициента теплопередачи и температурного напора из уравнения теплопередачи определяется поверхность нагрева.