Теоретичні основи розрахунку теплообмінників

Після того, як вище була викладена методика розрахунків теплових схем теплопідготовчих установок в цілому стосовно як до водогрійних і парових котельних, так і до ТЕЦ, можна перейти до наступного етапу розрахунку цих установок, а саме до визначення розрахункової поверхні теплообміну і вибору типорозмірів теплообмінних апаратів, що входять до складу теплопідготовчої установки.

Для кожного такого апарату перш за все повинен бути встановлений розрахунковий режим, при якому вибором відповідного типорозміру повинна бути забезпечена розрахункова, тобто максимально-тривала теплопродуктивність цього апарату. Таким розрахунковим режимом для теплопідготовчої установки зазвичай служить максимально-зимовий режим, відповідний розрахунковій температурі зовнішнього повітря для систем опалювання.

Якщо відпуск тепла від джерела проводиться парою або гарячою водою при одноступінчатій схемі її підігріву, то максимально-зимовий режим є розрахунковим не тільки для теплопідготовчої установки в цілому, але, як правило, і для кожного з її теплообмінних апаратів окремо.

У теплопідготовчих установках застосовуються як правило, поверхневі рекуперативні теплообмінники, за винятком змішуючих термічних деаераторів і РОУ з вприскуванням води в охолоджувану пару, які виконуються як змішувальні теплообмінні апарати.

Основне завдання теплового розрахунку поверхневого рекуперативного теплообмінника - визначення розрахункової величини його поверхні теплообміну , що забезпечує отримання розрахункової теплопродуктивності при заданих температурних умовах відповідно до основної формули

де - різниця між середніми температурами гріючого і середовища, що нагрівається в теплообміннику при розрахунковому режимі;

k_p - середній коефіцієнт теплопередачі в теплообміннику при цьому режимі, Вт/м² К.

При визначенні розрахункової поверхні теплообміну задаються, як правило, значенням теплопродуктивності і параметрами, що відносяться до розрахункового режиму, - температур і тиску гріючих середовищ і тих, що нагріваються, на вході і на виході з теплообмінника. У теплопідготовчих установках ТЕЦ і котельних як гріюче середовище використовується водяна пара або гаряча вода, а як середовище, що нагрівається - тільки вода, яка зрідка перетворюється на пару (водопарові перетворювачі). Тому в таких установках визначення потрібної поверхні теплообміну доводиться виконувати стосовно пароводяних або водоводяних підігрівачів.

Оскільки з погляду теплового розрахунку пароводяні підігрівачі дещо простіші за водоводяні, то саме з них доцільно почати опис методики такого розрахунку. Пар, що поступає в пароводяні підігрівачі теплопідготовчих установок, як правило, є насиченим або слабо перегрітим, він конденсується по всій поверхні теплообміну, причому, температура конденсату приблизно відповідає тиску гріючої пари.

Охолоджування цього конденсату до нижчих температур при розрахунковому режимі або взагалі не допускається, або складає, не більше 5-10 °С. Це пояснюється несприятливими умовами теплообміну між конденсатом і водою, що нагрівається в пароводяних підігрівачах через малу швидкість руху цього конденсату (див. нижче). Тому, якщо в умовах даної теплової схеми ТЕЦ або котельної охолоджування конденсату гріючої пари доцільно, то для нього повинні бути передбачені спеціальні охолоджувачі, які є водоводяними теплообмінниками.

Таким чином, для пароводяних підігрівачів середня температура гріючого середовища приймається, як правило, рівній температурі конденсату t_конд при тиску гріючої пари, відповідному даному режиму. Середня температура середовища, що нагрівається, як показано в літературі по теплообмінниках, в цих умовах не залежить від напряму руху потоку цього середовища щодо поверхні теплообміну і визначається формулою

, ⁰С

Звідси середня різниця температур в пароводяному підігрівачі при розрахунковому режимі складає

, ⁰С

У цих формулах і - температури води, яка нагрівається, відповідно на вході в пароводяний підігрівач і на виході з нього, а - температура конденсації гріючої пари; величини, що відносяться до розрахункового режиму, додатково позначені індексом «р».

Разом з тим тепловий баланс пароводяного підігрівача без урахування його незначних втрат тепла в навколишнє середовище, а також витоків гріючих середовищ, і тих, що нагріваються, може бути представлений в наступному вигляді, Дж/с

,

де D_гр – витрата граючої пари, кг/с

G_нагр – витрата води, що нагрівається в підігрівачі, кг/с

- Значення ентальпій відповідно гріючої пари, його конденсату і води на вході і виході з підігрівача, кДж/кг, які для води і конденсату можуть бути замінені добутком масової теплоємності с_нагр на відповідну температуру, наприклад