Тепловой расчёт теплообменника. Коэффициент теплоотдачи со стороны греющего пара

2.   ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ

Тепловой расчёт теплообменника проводится для определения основной характеристики теплообменника - площади поверхности теплообмена. При проведении теплового расчёта используйте следующие допущения и упрощения: греющий пар - сухой насыщенный, конденсат греющего пара покидает теплообменник при температуре конденсации (без переохлаждения). Для определения коэффициентов теплоотдачи используйте зависимости из курса «Тепловые процессы и аппараты» или из соответствующей литературы, например, [1...5].

2.1.Тепловой баланс.

Тепловой баланс теплообменника: , где: Q - количество тепла, отдаваемое греющим паром в единицу времени, Вт: ; Q₁ - тепло, расходуемое на нагрев среды: ;  - потери тепла в окружающую среду.  Таким образом:

                              (2.1)

где: - теплосодержание греющего пара на входе в теплообменник, Дж/кг,  - теплосодержание конденсата греющего пара на выходе из теплообменника (в случае полной конденсации греющего пара, что обычно и имеет место), t₁ и t₂ - температура нагреваемой среды на входе в теплообменник и на выходе их него, соответственно;   - теплоёмкость нагреваемой среды при средней её температуре, Дж/кг К.

Значения , ,  определяются по таблицам Приложений.

2.2. Коэффициент теплоотдачи со стороны греющего пара.

Для технических расчётов с достаточной степенью точности можно использовать следующие зависимости.

Коэффициент теплоотдачи при плёночной конденсации на наружной поверхности труб:

    (2.4)        

где: - коэффициент теплопроводности, - плотность, - динамический коэффициент вязкости     конденсата при средней его температуре. Теплофизические свойства конденсата в первом приближении можно определить при температуре конденсации (насыщения) , которая определяется по давлению греющего пара на линии насыщения. G - расход конденсата, равный расходу греющего пара, n - число труб в теплообменнике. Для вертикальных труб , ,  L - длина трубы. Для горизонтальных труб ,  при  и  при , - наружный диаметр трубы.

Можно использовать следующее выражение[6]:

             (2.4а)

где , которым при расчётах сначала задаются К, а затем, после определения , уточняют методом последовательных приближений. В этом выражении А = 1.13 для вертикальных труб, А = 0.726 для горизонтальных труб.

Как видно из (2.4) и (2.4а), коэффициент теплоотдачи со стороны греющего пара  зависит от геометрических характеристик поверхности теплообмена L, d и n, которые определены выше из оценочных расчётов.

2.3. Коэффициент теплоотдачи со стороны нагреваемой воды.

Теплообмен между стенкой канала (трубы) и движущейся в нём сплошной средой описывается критериальным уравнением [2]:

                                                (2.5)

Формула описывает среднюю теплоотдачу при течении жидкости в прямых гладких трубах или продольном обтекании снаружи труб при  (L - длина трубы, d - её диаметр) и развитом турбулентном режиме течения ().

За определяющую здесь принята средняя температура жидкости в трубе, определяемая как средне арифметическая  на входе и выходе  (подстрочный индекс _ж), а за определяющий размер - наружный или внутренний диаметр трубы , в зависимости от того, по какой поверхности  идёт теплообмен (подстрочный индекс _d). Число Pr_c выбирается по средней температуре поверхности стенки (подстрочный индекс _c), которую, в первом приближении, можно принять средней между температурой конденсации греющего пара и температурой нагреваемой воды.

Из выражения (2.5) следует:

                     (2.6)

2.4. Коэффициент теплопередачи

Полный коэффициент теплопередачи от греющего пара к нагреваемой воде определяется коэффициентами теплоотдачи со стороны пара и воды, теплопроводностью стенки и термическим сопротивлением загрязнения поверхности стенки:     

                    (2.7)

Здесь:  - коэффициент теплоотдачи со стороны пара,  - коэффициент теплоотдачи со стороны воды,  - толщина стенки,  - коэффициент теплопроводности материала стенки, R_п  - термическое сопротивление загрязнений стенки со стороны пара, R_в  - термическое сопротивление загрязнений стенки со стороны воды. Значения коэффициентов теплопроводности материалов труб и термического сопротивления для различных загрязнений приведены в Табл. 5.4 [1, с. 69].  Рассчитав коэффициенты теплоотдачи со стороны греющего пара , со стороны воды , коэффициент теплопередачи К, можно определить поверхность теплообмена F (второе, более точное приближение).

Температура стенки

Из условия равенства тепловых потоков:

 ,     (2.8)

где         - удельный тепловой поток, определить температуры стенки t_c1 и t_c2 , по ним уточнить значение Pr_c и, соответственно, , среднюю температуру конденсата  и, соответственно, .

Определить новые значения: коэффициента теплопередачи К, поверхности теплообмена F, общую длину труб в теплообменнике , где  - средний диаметр трубы.

Варьируя длиной и числом труб, определить число ходов  , округлить его до целого числа, 2, 4, 6; подобрав целое значение n, близкое к выбранному ранее.

Если новое значение числа труб в ходу существенно отличается от предварительно выбранного значения, следует произвести расчёт очередного приближения.