Определение значений коэффициента теплоотдачи в зависимости от характера теплообмена и тепловых режимов поверхностей аппарата, страница 2

Коэффициент пропорциональности (α_к) в случае теплоотдачи от вертикальной плиты может быть определен по формуле:

где А - коэффициент, зависящий от средней температуры t_m пограничного слоя воздуха около поверхности ограждения;

t_m = (t_п + t₀)/2.

Зависимость A = f(t)

Суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и лучеиспусканием (α) можно приближенно определить по следующей формуле:

2. Определение площади поверхности теплообмена и толщины теплоизоляции в тепловом аппарате

Площадь поверхности теплообмена определяется интенсивностью теплопередачи, зависящей от механизма передачи теплоты (теплопроводность, конвекция, излучение и их сочетание между собой). При конструктивном расчете определяются средняя разность температур, коэффициент теплоотдачи и конструктивные размеры аппарата. Конструктивный расчет может заканчиваться выбором теплообменного аппарата в зависимости от рассчитанной площади поверхности теплообмена.

Расчетная площадь поверхности теплообмена F(м²) для нестационарного (разогрев) и стационарного режима определяется из уравнений:

Из полученных двух расчетных величин выбирается большая, которая принимается за площадь поверхности теплообмена.

Расчет температурного режима теплообменного аппарата состоит из определения средней разности температур Δt_ср, вычисления средних температур теплоносителей (рабочие среды), а также определения температур стенок аппарата. В теплообменниках возможны три основных температурных режима теплоносителей:

- температура обоих теплоносителей непрерывно и одновременно изменяется, нагревание и охлаждение жидкостей происходят без изменения их агрегатного состояния (рис. а, б);

- температура одного теплоносителя сохраняется постоянной, а другого непрерывно изменяется, например конденсация греющего пара при нагреве жидкости (рис. в), кипение воды в кипятильнике, обогреваемом продуктами сгорания топлива (рис. г);

- температура обоих теплоносителей в процессе теплообмена остается постоянной, например конденсация греющего пара и кипение жидкости в паровом пищеварочном котле (рис. д).

Направление движения теплоносителей может быть прямоточным, противоточным, с перекрестным и смешанным токами.

При прямотоке (см. рис. а) и противотоке (см. рис. б), а также при постоянной температуре одной из сред (см. рис. в, г) средний температурный напор Δt_ср (°C или К) определяется как средняя логарифмическая величина по формуле:

где Δt_б и Δt _м - соответственно большая и меньшая разности температур между теплоносителями, °С.

Рис. Определение средней разности температур:

а, б - при нагревании и охлаждении жидкостей без изменения их агрегатного состояния; в - при конденсации греющего пара в процессе нагрева жидкости; г - при кипении воды в кипятильнике, обогреваемом продуктами сгорания топлива; д - при конденсации греющего пара и кипении жидкости в паровом пищеварочном котле.

Если отношение Δt_б/Δt_м ≤ 1,8, то средний температурный напор Δt_ср с погрешностью до 4 % определяется как средняя арифметическая величина:

Разности температур на концах теплообменника на примере прямотока (см. рис. а):

где  и  - начальная и конечная температуры нагревающей среды, °С; t'₂ и- то же нагреваемой среды, °С.

Для сложных схем движения теплоносителей, т. е. при перекрестном (см. рис. а) и смешанном токах (см. рис. б), определяют средний температурный напор Δt_ср так же, как при противотоке Δt_против, а затем вводят поправочный коэффициент ε_Δt:

Величину коэффициента ε_Δt определяют из графиков, построенных на основании опытных данных.

Коэффициент теплопередачи К является количественной расчетной величиной и зависит от коэффициентов теплоотдачи, термического сопротивления стенки и загрязнений.

Для плоской стенки коэффициент К определяется по формуле:

где α₁ - коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке, Вт/(м² · К); α₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю, Вт/(м²· К); δ - толщина тештопередающей стенки аппарата, м; λ - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м² · К); R_заг - термическое сопротивление, учитывающее загрязнение с обеих сторон стенки (накипь, пригорание частиц продукта и т.п.), м²· К/Вт.

Когда известны предполагаемая толщина слоев загрязнений δ₁ и δ₂ и их коэффициенты теплопроводности λ₁ и λ₂, то R_заг = δ₁/λ₁ +  δ₂/λ₂.

При расчете коэффициента теплопередачи К применяют теорию подобия, при этом величину коэффициента теплоотдачи а находят из выражения для критерия подобия Нуссельта:

где Nu - безразмерный критерий подобия Нуссельта; λ - коэффициент теплопроводности теплоносителя (для которого определяется коэффициент теплоотдачи), Вт/(м²-К); l - определяющий геометрический размер, м.