Тепловые балансы теплообменных аппаратов

Тепловой расчет начинается с определения тепловой нагрузки аппарата и расхода греющего или охлаждающего теплоносителя. Тепловой нагрузкой называется количество тепла, переданного от горячего теплоносителя к холодному. Очевидно, что

, (9.3)

В зависимости от заданного процесса тепловые балансы имеют различный вид.

Уравнение теплового баланса в общем виде можно записать в виде равенства

, (9.4)

Для холодильников

Согласно уравнениям (9.3) и (9.4) , . Тогда

, (9.5)

, (9.6)

где –расход горячего теплоносителя, кг/с; c– средняя удельная теплоемкость горячего теплоносителя, Дж/(кг град); (для газа c = c_р ); t₁ и t₂ – начальная и конечная температуры горячего теплоносителя, град; –расход охлаждающей воды, кг/с; c_в –средняя удельная теплоемкость охлаждающей воды, Дж/(кг град); и –температура охлаждающей воды на выходе из аппарата и на входе в аппарат, град.

Из уравнения теплового баланса

, (9.7)

определяется расход охлаждающей воды (кг/с):

, (9.8)

Для подогревателей

Нагрев одного из теплоносителей происходит за счет конденсации греющего водяного насыщенного пара:

; , (9.9)

где Д– расход греющего пара, кг/с; i₁ – теплосодержание (или энтальпия) греющего пара (находится из таблиц насыщенного водяного пара), Дж/кг; теплосодержание конденсата, Дж/кг; – расход нагреваемого вещества, кг/с; c– удельная теплоемкость нагреваемого вещества, Дж/(кг град); и – начальная и конечная температуры вещества, град.

Уравнение теплового баланса

, (9.10)

где – потери тепла от стенок аппаратов в окружающую среду, Вт.

Из практики известно, что потери тепла составляют 2 - 3 % от подведенного тепла и учитываются коэффициентом h = 0,97 - 0,98:

, (9.11)

Тогда расход греющего пара (кг/с)

, (9.12)

Для испарителей

Нагрев холодного теплоносителя производится с изменением его агрегатного состояния, т.е. жидкость переходит в пар, в то же время горячий теплоноситель (например, насыщенный пар), отдавая тепло также изменяет агрегатное состояние – конденсируется:

; , (9.13)

где Q₁ – тепло, израсходованное для нагрева холодного тепло– носителя до температуры кипения, Вт; Q₂ – тепло, затраченное для испарения кипящей жидкости, Вт.

; , (9.14)

где G – расход холодного теплоносителя, кг/с; с– удельная теплоемкость теплоносителя, Дж/(кг град), – температура кипения холодного теплоносителя, град; t₁ – начальная температура холодного теплоносителя, град; r – скрытая теплота парообразования теплоносителя, Дж/кг.

Уравнение теплового баланса

, (9.15)

Расход греющего пара (кг/с)

, (9.16)

Для конденсаторов

В этих аппаратах происходит процесс охлаждения горячего теплоносителя с изменением агрегатного состояния. Например, технологическое вещество (пары этилового спирта), охлаждаясь конденсируются и жидкий этиловый спирт выходит с заданной температурой t₂ . Тепло от горячего теплоносителя чаще всего отводится холодной водой:

; , (9.17)

где Q₁ – тепло, выделяющееся при охлаждении перегретых паров от до насыщенного состояния , Вт; Q₂ – тепло, выделяющееся при конденсации насыщенного пара, Вт; Q₃ – тепло, выделяющееся при охлаждении горячей жидкости от до заданной температуры t₂ , Вт; W– расход охлаждающей воды, кг/с; – удельная теплоемкость воды, Дж/(кг град).

; ; , (9.18)

где G– расход горячего теплоносителя, кг/с; – удельная теплоемкость при постоянном давлении для перегретого пара, Дж/(кг град); r– скрытая теплота конденсации горячего теплоносителя, Дж/кг; c– удельная теплоемкость горячего теплоносителя Дж/(кг град). Уравнение теплового баланса:

, (9.19)

Если охлаждающая вода попадает в межтрубное пространство и внешние стенки аппарата имеют температуру, мало отличающуюся от температуры окружающей среды, то тепловые потери ничтожно малы и их не учитывают.

Из уравнения (9.19) определяем расход охлаждающей воды (кг/с):

, (9.20)

Если в процессе теплообмена есть дополнительные условия, осложняющие процесс, например, дополнительный приход или расход тепла за счет химической реакции или превращения вещества, то их нужно учесть в тепловом балансе.