5.8. Теплообменник

Инструмент : теплообменник; панель инструментов : создание сложного оборудования

Теплообменник осуществляет охлаждение или нагрев одного потока за счет второго потока с более низкой или более высокой температурой. Он имеет по одному входному и одному выходному потоку для трубного и межтрубного пространства. Теплообменник имеет четыре варианта задания – когда известна температура на выходе из трубного пространства, когда известна температура на выходе из межтрубного пространства, когда известно температурное сближение и когда известно произведение коэффициента теплопроводности на площадь теплообмена. Все этих параметры задаются непосредственно в диалоге теплообменника, причем активный параметр доступен для редактирования, а для трех остальных показываются текущие значения.

Температурное сближение определяется по разному для двух типов теплообменика. При прямоточном типе под температурным сближением понимается разница выходных температур. При противоточном типе – минимум из двух чисел: разницы входной температуры трубного пространства и выходной температуры межтрубного пространства и разницы выходной температуры трубного пространства и входной температуры межтрубного пространства. Разница температуры берется по модулю, поэтому температурное сближение всегда положительно.

При одной заданной выходной температуре, вторая получается из условия баланса переданной и отобранной мощности. При заданном температурном сближении и противоточном типе проверяются два варианта – при минимальном температурном сближении на входе межтрубного пространства и на входе трубного пространства. При прямоточном типе выходные температуры определяются итерационным расчетом. При задании UA опрделеяются выходные температуры, при которых выполняются два уравнения

$$ Q_1 = Q_2$$

$$ Q_1 = UA \cdot LMTD $$

где $Q_1$ и $Q_2$ – мощности (по модулю) по потоку 1 и 2, $LMTD$ - логарифмический температурный напор, который для прямотока имеет вид

$$ LMTD = \frac {(T_{hi}-T_{ci})-(T_{ho}-T_{co})} {\ln {(T_{hi}-T_{ci})} -\ln {(T_{ho}-T_{co})}},$$

для противотока:

$$ LMTD = \frac {(T_{hi}-T_{co})-(T_{ho}-T_{ci})} {\ln {(T_{hi}-T_{co})} -\ln {(T_{ho}-T_{ci})}}.$$

Здесь $T_{hi}$ и $T_{ho}$ – входная и выходная температуры горячего потока, $T_{ci}$ и $T_{co}$ – входная и выходная температуры холодного потока. При определенных входных данных, например при большой разницы расходов, второе уравнение заменяется на уравнение для вырожденного случая, которое зависит от тип теплообменника. Для прямотока это равенство температур, для противотока это равенство выходной температуры одного из потока входной температуре другого.

Для всех четырех видов задания теплообменника имеется возможность учесть поправочный коэффициент на $LMTD$ для типов TEMA E и TEMA F. Для этого следует поставить флаг TEMA на первой вкладке диалога и выбрать тип на второй вкладке. Там же следует указать количество кожухов последовательно. Расчет для типо E и F производится по одинаковым формулам, при типе E значение N (количество проходов кожуха) равно количеству кожухов, при типе F значение N равно удвоенному количеству кожухов.

Поправочный коэффицент $F_t$ определяется по формулам:

$$ P_1 = \frac {T_{ho} - T_{hi}} {T_{ci}-T_{hi}} $$

$$ R_1 = \frac {T_{ci} - T_{co}} {T_{ho}-T_{hi}} $$

$$ S = \frac {(R_1^2+1)^{0.5}} {R_1-1} $$

$$ W = (\frac {1-P_1 \cdot R_1} {1-P_1} )^{\frac {1} {N}}$$

$$ F_t = \frac {S \cdot \ln W } {\ln {\frac {1+W-S+S \cdot W} {1+W+S-S \cdot W}}}$$

В случае $R_1=1$ последние три уравнения заменятся на следующие:

$$ W = \frac {N - N \cdot P_1} { N- N \cdot P_1+P_1}$$

$$F_t = \sqrt 2 \cdot \frac {\frac {1-W} {W}} {\ln {\frac {\frac {W} {1-W}+\frac {1} {\sqrt 2}} {\frac {W} {1-W}-\frac {1} {\sqrt 2}}}}$$

В расчете TEMA используется формула для противотока:

$$ LMTD = F_t \cdot \frac {(T_{hi}-T_{co})-(T_{ho}-T_{ci})} {\ln {(T_{hi}-T_{co})} -\ln {(T_{ho}-T_{ci})}}.$$

При известной температуре одного из выходов или температурного сближения поправочный коэффицент окажет влияние на $LMTD$ и на значение $UA$. При известном UA скорректированный LMTD будет учитыватся во втором уравнении и выходные температуры потоков изменятся.

Полученные выходные температуры проверяются на возможность теплообмена, а именно то, что они лежат внутри диапазона входных температур и рассчитанный средний логарифмический температурный напор по формуле для противоточного теплообменника определен. Если теплообмен для входных данных невозможен, то оборудование переводится в состояние ошибки.

Если в теплообменнике имеет место перекрест температур, то есть выходная температура горячего потока ниже выходной температуры холодного потока, что может иметь место только при противотоке, то на символе теплообменника рисуется красная дуга между выходными потоками.

В диалоге оборудования имеется возможность задать падение давления отдельно для трубного и межтрубного пространства.

На схеме отображается тип задания теплообменника, выходной поток с заданной температурой помечен окружностью (рис.5.8.18), при задании температурного сближения помечены оба выходных потока.

В диалоге приведены также рассчитанные значения подведенной или отведенной теплоты в единицу времени для каждого потока, значения нескорректированного и эффективного температурного напора, значение поправочного коэффициента LMTD (F).

Рис.5.8.15 Диалог теплообменника

Рис.5.8.16 Диалог теплообменника, TEMA

Рис.5.8.17 Диалог теплообменника, результаты

Рис.5.8.18 Отображение теплообменника