<=== Возврат к содержанию главы 1 1.1 Основные закономерности процесса теплопередачи В подавляющем большинстве теплообменных аппаратов тепло передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку конвекцией и теплопроводностью. Количество тепла, передаваемого в единицу времени (тепловая нагрузка аппарата) определяется из уравнения теплового баланса: Q = Q1п = Q2, где п - коэффициент полезного использования тепла в аппарате; Q1, Q2 (Вт) - количество тепла, отдаваемого одним теплоносителем и воспринимаемого другим. При неизменном агрегатном состоянии теплоносителя Q = G c (tб – tм), а при его изменении (кипение, испарение) Q = G (iп – iк). Здесь G - расход теплоносителя (кг/с), tб ,tм - его большая и меньшая температуры (оС), c - его удельная теплоемкость (Дж/кг/К) при средней температуре, iп ,iк - теплосодержание пара и конденсата (Дж/кг) при температуре кипения (конденсации). Поверхность теплообмена, необходимая для обеспечения тепловой нагрузки Q, определяется по формуле: F = Q /K /tср, где K - коэффициент теплопередачи (Вт/м2/К), tср - средняя разность температур теплоносителей. При прямоточном и противоточном движении жидких и газообразных сред tср = (tб - tм)/ln(tб/tм), где tб, tм - большая и меньшая разность температур теплоносителей на противоположных концах теплообменной поверхности. При смешанном и перекрестном движении полученное таким образом значение tср умножается на поправочный коэффициент 1 S R 2 1 ln 1 R S t , 2 S R 1 R2 1 R 1 ln 2 S R 1 R2 1 где R = (t11 – t12)/(t22 – t21), S = (t22 – t21)/(t11 – t21), t11, t12 - начальная и конечная температура горячего теплоносителя, t21, t22 - начальная и конечная температура холодного теплоносителя. Для плоской стенки и труб при отношении их наружного диаметра к внутреннему dн/d 2 коэффициент теплопередачи определяется по формуле K = (1/1 + Ri +1/2)-1, где 1, 2 - коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному (Вт/м2/K), Ri - сумма термических сопротивлений разделяющей стенки, куда входят сопротивления слоев стенки ст i /ст i и слоев загрязнений Rз i = з i /з i с обеих сторон стенки (м2K/Вт). Здесь ст i, з i - толщина i - го слоя стенки и загрязнения (м), ст i, з i - коэффициенты теплопроводности их материалов (Вт/м/К). Значения з i, з i обычно неизвестны, поэтому значения Rз i либо берутся из справочников, либо их наличие учитывается умножением значения K, рассчитанного без учета загрязнений, на коэффициент (для аппаратов, не требующих частой очистки = 0.70.8, при активном выпадении осадков из теплоносителей = 0.4 0.5). Значения коэффициентов теплоотдачи 1, 2 определяются из критериальных уравнений, форма которых в каждом конкретном случае зависит от условий теплоотдачи. В эти уравнения чаще всего входят следующие критерии: Нуссельта Nu = l/ , где l - определяющий геометрический размер (м), - коэффициент теплопроводности теплоносителя (Вт/м/K); Рейнольдса Re = wl/, где w - скорость течения теплоносителя (м/с), (кг/м3), (Пас) - его плотность и динамическая вязкость; Прандтля Pr = c/ ; Грасгофа Gr = gl3t/2, где - коэффициент объемного расширения теплоносителя (1/K), t - разность его температур у стенки и в ядре, - кинематическая вязкость (м2/с). Наиболее часто используемые формы уравнения теплоотдачи: 1.Теплоотдача при свободном движении теплоносителя (охлаждение кожухов аппаратов, трубопроводов окружающим воздухом): Nu = А(GrPr)n, где при GrPr < 500 А = 1.18, n = 0.125; при 500 GrPr < 2107 А = 0.54, n = 0.25; при GrPr > 2107 А = 0.135, n = 0.33. Определяющая температура – средняя температура пограничного слоя t = (tст + tср)/2, где tст, tср - температура стенки и средняя температура теплоносителя. Определяющий размер - диаметр трубы или высота стенки. В этом случае коэффициент конвективной теплоотдачи соизмерим с коэффициентом теплоотдачи лучеиспусканием л = 5.6710-8(Tст4 Tср4)/( tст tср), где - степень черноты поверхности (для масляной краски, окисленной стали = 0.750.9), - коэффициент, зависящий от геометрии поверхности и условий лучеиспускания ( = 1, если близлежащие поверхности имеют температуру окружающей среды), Tст, Tср - абсолютные температуры. Общий коэффициент теплоотдачи о = + л. 2.Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя в трубах и каналах (отношение длины канала к его эквивалентному диаметру l/dэ > 50): турбулентный режим (Re >10000) – Nu = 0.021Re0.8Pr0.43(Pr/Prст)0.25; переходный режим (Re = 230010000) – Nu = 0.0015Re1.09Pr0.43(Pr/Prст)0.25; ламинарный режим (Re < 2300) – Nu = 0.17Re0.33Pr0.43Gr0.1(Pr/Prст)0.25. Определяющие параметры – tср и dэ = 4S/P, где S,P - площадь поперечного сечения и периметр канала. При движении теплоносителя в изогнутых трубах (в змеевике) дополнительная турбулизация потока учитывается умножением правых частей уравнений на коэффициент R = 1+3.54dн/D, где dн, D - наружный диаметр трубы и диаметр ее навивки. 3.Теплоотдача при поперечном (строго перпендикулярном) омывании теплоносителем пучка труб: при Re >1000 – Nu = АRenPr0.36(Pr/Prст)0.25, где А = 0.22, n = 0.65 для шахматного расположения труб, А = 0.4, n = 0.6 – для коридорного расположения; при Re <1000 – Nu = 0.56Re0.5Pr0.36(Pr/Prст)0.25. При расчете теплоотдачи в реальных кожухотрубчатых теплообменниках с перегородками в межтрубном пространстве правые части этих уравнений умножаются на коэффициент изменения угла атаки f ~ 0.6. Определяющие параметры – tср, dн, скорость в самом узком сечении пучка. 4.Теплоотдача при пленочной конденсации паров. В этом случае значение коэффициента теплоотдачи определяется по формуле 0.25 r 2к 3к g C , l t к к где r - теплота конденсации пара при заданном давлении (Дж/кг); к, к, к - плотность, коэффициент теплопроводности и динамическая вязкость конденсата при температуре конденсации tк; tк = tк – tст; l - определяющий размер: для вертикального трубчатого конденсатора l = H (высота труб), С = 1.15; для горизонтального – l = dн, С = 0.72. 5.Теплоотдача при кипении жидкостей. При вынужденном движении жидкости в трубах = b3λ2 tкип2 /(Tкип), где b = 0.075 + 0.75[п/(ж - п)]2/3, ж, п - плотности жидкости и пара; tкип = tст – tкип, tкип - температура кипения жидкости при заданном давлении; Tкип = tкип + 273оС; , - кинематическая вязкость и коэффициент поверхностного натяжения жидкости (Н/м). При пузырьковом кипении на наружной поверхности пучков труб = 600p1.33tкип2.33, где - экспериментально определяемый коэффициент (для воды = 1), р - давление в аппарате (МПа). <=== Возврат к содержанию главы 1