Uzupełnienie do pytania 7.

Zasady projektowania wymienników ciepła

Wskazówki do projektowania wymienników ciepła

Projektowanie wymienników ciepła powinno objąć nie tylko obliczenia wymiany ciepła w aparacie, ale również zagadnienia konstrukcyjne i bezpieczeństwa ekonomicznego.

Obliczenia projektowe składają się z następujących etapów:

1. Podstawą obliczeń jest sporządzenie bilansu cieplnego z ewentualnym uwzględnieniem strat ciepła. Możemy wziąć pod uwagę kilka wariantów:

1.1. Bilans ciepła w przypadku ogrzewania lub chłodzenia płynu bez zmiany stanu skupienia (w przeciwprądzie gdy Ta1>Ta2 i Tb1>Tb2) opisuje równanie:

Q* = m*a cpa (Ta1-Ta2) = m*b cpb (Tb1-Tb2)

w którym:

• a i b dotyczą płynów,

• wartość ciepła właściwego jest przyjmowana jako średnia w danym przedziale temperatury.

1.2. Gdy po jednej stronie wymiennika zachodzi zmiana stanu skupienia czynnika, np. w skraplaczu pary chłodzonym wodą (Tb1<Tb2) lub wyparce ogrzewanej spalinami. bilans ciepła przyjmuje postać:

Q* = m*a ra = m*b cpb (Tb2-Tb1)

1.3. Jeżeli miana stanu skupienia zachodzi po obu stronach, np. w wyparce ogrzewanej parą, to mamy:

Q* = m*a ra = m*b rb

1.4. W szczególnym przypadku, gdy wymieniane jest równocześnie ciepło gazowego czynnika i ciepło utajone zawartej w nim pary, np. podczas ochładzania mieszanin pary i gazu, równanie bilansowe (Ta1>Ta2 , Tb1<Tb2 , ia1>ia2) przyjmuje postać:

Q* = m*i cpi (Ti1-Ti2) + m*i (xa1ia1 – xa2ia2) – Kik = m*b cpb (Tb2-Tb1)

gdzie

• xa oznacza zawartość pary w czynniku wyrażoną w kilogramach na kg gazu suchego; K, kg/s, masowy strumień skroplin; i, J/kg, oznacza entalpię.

2. Określamy średnią różnicę temperatury dla procesu wymiany ciepła.

Najczęściej posługujemy się średnią logarytmiczną skrajnych różnic temperatury. Niekiedy, gdy DT1/DT2 < 2 stosujemy średnią arytmetyczną.

3. W przypadku szczególnym, jakim jest chłodzenie gorącego gazu o niewielkiej zawartości pary wodnej, stosujemy metodę obliczeń polecaną przez Kerna i Hoblera:

1. obliczyć ciepło oddawane przez gaz i ciepło kondensacji pary; ich sumę należy przyjąć do obliczeń powierzchni aparatu;

2. zastosować współczynnik wnikania ciepła, obliczony jak dla gazu;

3. użyć średniej logarytmicznej jako średniej różnicy temperatury, biorąc pod uwagę skrajne temperatury gazu i wody chłodzącej.

W przypadku wyparki należy z kolei sprawdzić, czy obciążenie cieplne q, W/m2, jest dostatecznie małe w porównaniu z qkr.

4. Wyznaczamy współczynnik przenikania ciepła ze wzoru Pecleta.

Jeżeli przebiega równocześnie kilka różnych procesów, to dla każdego wykonujemy osobne obliczenia. Przyjmuje się, że prędkość liniowa pary i gazów pod niewysokim ciśnieniem mieści się w granicach od 8 do 30 m/s, cieczy natomiast nie przekracza 1,5 m/s.
Im droższy jest materiał konstrukcyjny, tym zaleca się większe wartości prędkości przepływu. Wykonanie obliczeń współczynników wnikania i przenikania ciepła wymaga też założenia typu konstrukcyjnego wymiennika.

5. W ostatnim etapie obliczeń wyznacza się powierzchnię wymiany ciepła.

Należy ją powiększyć, nawet o 30%, ze względu na małą dokładność obliczeń lub nie uwzględnienie pewnych czynników, np. zmian oporu cieplnego osadu. Wymiennik jest najtańszy, jeżeli w obliczeniach uwzględni się handlową długość rurek.

Źródło: Wykłady z Inżynierii chemicznej

Rozkład temperatury podczas przenikania ciepła przez trójwarstwową ściankę płaską