Расчет для определенных условий теплообменного аппарата, страница 2

                                                                      

Средний логарифмический или арифметический температурный напор для прямотока и противотока определяется из формул

            или (при  )                    (2.4)    

Величины температурных перепадов на концах аппарата Δt_δ и  Δt_м обозначены на рис. 3.

Коэффициент теплопередачи К рассчитывается по формуле для плоской стенки, что допустимо при

                                                                               (2.5)

где α₁ – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к поверхности стенки,  кВт/( м²∙K);     

       α₂ – коэффициент теплоотдачи от поверхности стенки к холодному теплоносителю, кВт/( м²∙K);        

       δ_с – толщина стенки трубок, м;

      λ_с – коэффициент теплопроводности материала стенки трубок, кВт/(м∙К);

d_н, d_в – соответственно наружный и внутренний диаметр трубок, м;

δ_нак, λ_нак – соответственно толщина, м и коэффициент теплопроводности слоя накипи или отложений,  кВт/(м∙К).

Значения α₁ и α₂ рассчитываются по уравнениям подобия (см. подраздел 2.2).

При известной поверхности теплообменника F определяют другие геометрические характеристики теплообменного аппарата: длину трубчатого пучка L и число секций N.

2.2.2 Расчет коэффициента теплоотдачи

1) Теплоотдача при вынужденном течении теплоносителя по трубам и каналам

Уравнение подобия при вынужденном течении однофазного теплоносителя по трубам и каналам имеет вид:

при ламинарном вязкостно-гравитационном течении (Re_ж,d < 2300,  Gr_ж,d·Pr_ж  > 8·10⁵)

                    ;             (2.6)

при ламинарном вязкостном течении (Re_ж,d < 2300, Gr_ж,d·Pr _ж < 8·10⁵)

                            ;                    (2.7)

при переходном течении (Re_ж,d = 2300…10⁴)

                                    ;                                 (2.8)

при турбулентном течении (Re_ж,d > 10⁴)

                            ;                     (2.9)

где  – число Нуссельта;

 – число Рейнольдса;

– число Грасгофа;

 – число Прандтля.

Индекс “ж” показывает, что физические параметры теплоносителя, входящие в числа подобия, необходимо принимать по средним температурам горячего теплоносителя t₁ или холодного теплоносителя t₂, для которых  или .

Индекс “с” в числе   показывает, что физические параметры теплоносителя, входящие в число подобия, необходимо брать по температуре стенки. В первом приближении можно принять .

В числа подобия введены обозначения: d_экв – эквивалентный диаметр, м; λ – коэффициент теплопроводности, кВт/(м·К); ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с; β – коэффициент объемного расширения, 1/К; α – коэффициент температуропроводности; w – скорость течения теплоносителя, м/с; С_p – средняя массовая изобарная теплоемкость, кДж/(кг·К); ρ – плотность, кг/м³; g = 9,81 м/с²; δt – температурный напор (разница температур теплоносителя и стенки); k₀ – коэффициент, определяемый по величине числа Рейнольдса (табл. 4.3).

Для каналов любого сечения d_экв = 4f/u, где f – площадь поперечного сечения канала,  u – смоченный периметр сечения. При движении теплоносителя в трубах круглого сечения определяющим линейным размером является внутренний диаметр трубы (d_экв = d_в).

При течении теплоносителя в межтрубном пространстве вдоль пучка труб, расположенного в цилиндрическом канале-кожухе, эквивалентный диаметр равен

                                             ,                                          (2.10)

где D – внутренний диаметр кожуха теплообменника, м;

      d_н – наружный диаметр трубок, м.

После расчета численных значений чисел подобия Gr_ж,d, Re_ж,d, Pr_ж, Pr_c определяют численное значение числа Нуссельта по (2.6), (2.7), (2.8) или (2.9). Затем из соотношения находят коэффициент теплоотдачи

                                             .                                         (2.11)

2) Теплоотдача при кипении жидкости

Коэффициент теплоотдачи α_к при кипении жидкости в большом объеме может быть рассчитан по формулам

при

                                ;                        (2.12)

при

                                      ,                                 (2.13)

где  – коэффициент теплопроводности, теплота парообразования, кинематический коэффициент вязкости жидкости и плотность пара при температуре насыщения t_s; t_c – температура поверхности стенки трубы.