Практическое занятие № 26

Второй подход (для смешанного и перекрестного токов)

(591)

где: - вычисляется по формуле (582) для противотока, а коэффициент зависит от схемы движения теплоносителя и определяется по справочным графикам, см. например рис.87.

На рис.87. а – это аппарат с одним ходом в межтрубном пространстве и 2, 4, 6 и более ходами в трубном пространстве;

б – это аппарат с двумя ходами в межтрубном пространстве с поперечными перегородками и четырьмя ходами в трубном пространстве.

(592)

(593)

где: t и Т – температуры соответствующих потоков на границах смены режимов.

Р ис.87. Поправочные коэффициенты для смешанного потока в многоходовых теплообменниках

Третий подход (для смешанного тока)

Теплообменник мысленно разбивают на несколько аппаратов с противоточным и прямоточным течением потоков и распределение температур и величину температурного напора определяют обычным путём.

5.3. Приступим к вычислению коэффициента теплоотдачи от горячего потока к разделяющей стенке

5.3.1. Прямоточное и противоточное течение в одноходовом аппарате.

А) Сначала вычисляем для каждой зоны критерий Рейнольдса для горячего потока, используя слегка модифицированную формулу (520):

(594)

где: - так называемый эквивалентный диаметр.

Если горячий поток течет по трубкам кожухотрубчатого теплообменника, то используют модернизированные формулы (546) и (547):

(595)

где: D – внутренний диаметр кожуха;

d – наружный диаметр одной трубки;

n – число трубок.

Для теплообменника типа труба в трубе:

(596)

Если горячий поток течёт по межтрубному пространству, не содержащему перегородок, то:

(597)

При наличии перегородок:

(598)

где: S_эф – так называемое эффективное сечение межтрубного пространства:

(599)

где: S_пр – площадь проходного сечения в вырезах перегородки за вычетом скммарной площади сечения, проходящих через неё труб.

S_поп – площадь проходного сечения между перегородками за вычетом суммарной площади проходящих через неё труб.

Если горячим потоком является пресная или минерализованная вода, то соответствующие значения вязкости и плотности для средней температуры зоны берутся из табл. 12 – 15.

Если горячим потоком является водяной пар, то соответствующие значения вязкости и плотности берутся для средней температуры зоны из табл. 20, 26 и рис. 88.

Табл.26.

Основные свойства насыщенного водяного пара

Температура, 0С	Плотность ( ), кг/м3	Динамическая вязкость ( ), мкПа.с
0 10 20 30 40 60 80 100 120 150 200 250 300 350	0,00485 0,00940 0,01729 0,03037 0,05116 0,13020 0,29340 0,59770 1,12100 2,54700 7,86200 19,9800 46,2100 113,6000	9,22 9,46 9,73 10,01 10,31 10,94 11,60 12,28 12,97 14,02 15,78 17,59 19,74 23,72

С вполне допустимым приближением данной номограммой можно пользоваться и при давлении до 10 атм.

Если горячим потоком является нефть, то соответствующие значения вязкости и плотности берутся из исходных данных и пересчитываются на необходимые условия с помощью формул (569), (575 – 581).

Наконец, значения плотности и вязкости использующихся теплоносителей приведены в табл.27 и на рис.89.

Табл.27.

Плотность некоторых жидкостей при 0 – 20⁰С

Жидкость	Плотность ( ), кг/м3
Азотная кислота, 92 % Аммиак, 26 % Бензин Глицерин, 100 %, 80 % Диэтиловый эфир Керосин Ксилол Мазут Метиловый спирт, 90 %, 30 % Нафталин (расплавленный) Нефть Ртуть Серная кислота, 30 % Соляная кислота, дымящая Уксусная кислота, 70 %, 30 % Хлороформ Четырёххлористый углерод Этилацетат Этиленхлорид Этиловый спирт, 100 %, 70 %, 40 %, 10 %	1500 910 760 1270, 1130 710 850 880 890 – 950 820, 950 1100 790 – 950 13600 1220 1210 1070, 1040 1530 1630 900 1280 790, 850, 920, 980

Р ис.89. Номограмма для определения динамического коэффициента вязкости жидкостей при различных

температурах

Жидкость	№ точки	Жидкость	№ точки
Амиловый спирт Аммиак Анилин Ацетон Бензол Бутиловый спирт Вода Гексан Гептан Глицерин, 100 % Глицерин, 50 % Углекислый газ Диэтиловый эфир Метилацетат Метиловый спирт, 100 % Метиловый спирт, 90 % Метиловый спирт, 30 % Нафталин Нитробензол Октан	17 39 8 34 25 11 20 36 31 1 7 40 37 32 26 24 13 9 14 28	Пентан Ртуть Серная кислота, 111 % Серная кислота, 98 % Серная кислота, 60 % Сернистый ангидрид Сероуглерод Терпентин Толуол Уксусная кислота, 100 % Уксусная кислота, 70 % Фенол Хлорбензол Хлороформ Четырёххлористый углер Этилацетат Этиленгликоль Этиленхлорид Этиловый спирт, 100 % Этиловый спирт, 49 %	35 15 2 3 6 35 33 16 27 18 12 6 22 29 21 30 4 23 19 10

б) Приступим к вычислению (для каждой зоны) критерия Прандтля для горячего потока (при средней температуре), используя слегка модифицированную формулу ( 521)

(600)

Единственным неизвестным параметром, входящим в формулу (600), является теплопроводность горячего потока ( ).

Если горячим потоком является пресная или минерализованная вода, то соответствующие значения теплопроводности берутся из табл. 12 –14.

Если горячим потоком является водяной пар, то соответствующие значения теплопроводности берутся из табл.28.

Табл.28.

Теплопроводность водяного пара, Вт/м^.К

Давление, МПа	Температура, 0С
	0	50	100	200
0,1 – 1,0	0,0163	0,0198	0,0244	0,0326

Если горячим потоком является нефть, то соответствующие значения теплопроводности вычисляются по формуле:

(601)

Для всех остальных теплоносителей соответствующие значения теплопроводности берутся из табл.29,30 и рис. 38, 39.

Табл.29.

Коэффициенты теплопроводности газов при Р_абс.= 1 атм (Вт/м^.К)

Газ	Температура, 0С
	0	50	100	200
Азот Аммиак Водород Водяной пар Воздух Кислород Метан Угарный газ Углекислый газ Этан Этилен	0,0233 0,0209 0,1628 0,0163 0,0244 0,0244 0,0302 0,0221 0,0140 0,0174 0,0163	0,0267 0,0256 0,1861 0,0198 0,0279 0,0291 0,0361 0,0244 0,0186 0,0233 0,0209	0,0314 0,0314 0,2210 0,0244 0,0326 0,0326 0,0465 - 0,0233 0,0314 0,0267	0,0384 - 0,2559 0,0326 0,0395 0,0407 - - 0,0314 - -

Табл.30.

Коэффициенты теплопроводности жидкостей и водных растворов

Вещество	Концентрация, % мас.	Температура, 0С	Теплопроводность, Вт/м.К
B aCl2 KBr KOH КОН K2SO4 KCl KCl MgSO4 MgCl2 MgCl2 CuSO4 NaBr NaBr Na2CO3 NaCl H2SO4 H2SO4 H2SO4 HCl HCl HCl Аммиак жидкий Аммиак жидкий Дихлорэтан Уксусная кислота Уксусная кислота Хлорбензол Хлорбензол Хлороформ Хлороформ	21 40 21 42 10 15 30 22 11 29 18 20 40 10 12,5 30 60 90 12,5 25 38 100 100 100 50 50 100 100 100 100	32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 32 0 100 0 0 100 0 100 0 100	0,58 0,50 0,58 0,55 0,60 0,58 0,56 0,59 0,58 0,52 0,58 0,57 0,54 0,58 0,58 0,52 0,44 0,35 0,52 0,48 0,44 0,54 0,31 0,14 0,31 0,48 0,13 0,11 0,14 0,09

Рис.38. Коэффициенты теплопроводности некоторых жидкостей

1. Глицерин безводный; 2. Муравьиная кислота; 3. Метиловый спирт,100 %; 4. Этиловый спирт,100%; 5. Касторовое масло; 6. Анилин; 7. Уксусная кислота; 8. Ацетон; 9. Бутиловый спирт; 10. Нитробензол; 11. Бензол; 12. Изопропиловый спирт; 13. Толуол; 14. Ксилол; 15. Вазелиновое масло; 16. Вода; 17. Хлористый кальций 25 %; 18. Хлористый натрий 25 %; 19. Этиловый спирт 80 %; 20. Этиловый спирт 60 %; 21. Этиловый спирт 40 %; 22. Этиловый спирт 20 %; 23. Сероуглерод; 24. Четырёххлористый углерод; 25. Глицерин 50 %; 26. Гексан; 27. Соляная кислота 30 %; 28. Керосин; 29. Диэтиловый эфир; 30. Серная кислота 98 %; 31. Аммиак 26 %; 32. Метиловый спирт 40 %; 33. Октан.

Практическое занятие № 27

Р ис.91. Коэффициенты теплопроводности дымовых газов.

Состав дымовых газов % (об.): СО₂ – 13; О₂ – 5; N₂+Н₂О –82.

Содержание водяного пара в %: 1 – 0; 2 – 15; 3 – 20.

При отсутствии экспериментальных данных коэффициент теплопроводности жидкости ( ) при 30⁰С может быть рассчитан по формуле:

(602)

где: - удельная теплоёмкость жидкости, Дж/кг^.К;

- плотность жидкости, кг/м³;

- мольная масса жидкости, кг/моль;

- коэффициент пропорциональности, зависящий от степени ассоциации жидкости.

Для ассоциированных жидкостей (например воды) - = 3,58^. 10^-8.

Для неассоциированных жидкостей (например бензола) - =4,22^. 10^-8.

Причём, для нефти:

(603)

Коэффициент теплопроводности жидкости при произвольной температуре (t) определяется по формуле:

(604)

где: температурный коэффициент :

Анилин……………………… 0,0014

Ацетон………………………. 0,0022

Бензол……………………….. 0,0018

Гексан……………………….. 0,0020

Метиловый спирт……………0,0012

Нитробензол…………………0,0010

Пропиловый спирт…………. 0,0014

Уксусная кислота…………… 0,0012

Хлорбензол………………….. 0,0015

Хлороформ………………….. 0,0018

Этилацетат……………………0,0021

Этиловый спирт…………….. 0,0014

Коэффициент теплопроводности водного раствора при произвольной температуре(t) определяется по формуле:

(605)

где: и - коэффициенты теплопроводности раствора и воды.

Коэффициент теплопроводности газа может быть вычислен по формуле:

(606)

где:

(607)

где: k – показатель адиабаты:

(608)

Для одноатомных газов В ~ 2,5; для двухатомных В ~ 1,9; для трёхатомных В ~1,72

Наконец, существует номограмма для непосредственного определения критерия Прандтля для ряда жидкостей (рис.92).

Р ис.92. Значения критерия Прандтля для жидкостей.

1. Серная кислота, 111 %; 2. Серная кислота, 98 %; 3. Изоамиловый спирт; 4. Серная кислота, 60 %; 5. Анилин;

6. Глицерин, 50 %; 7. Изопропиловый спирт; 8. Этиловый спирт, 50 %; 9. Уксусная кислота, 50 %; 10. Метиловый спирт, 40 %; 11. Бутиловый спирт; 13. Этиловый спирт,100 %; 14. Аммиак, 26 %; 15. Уксусная кислота, 100 %;

17. Вода; 18. Четырёхххлористый углерод; 19. Ксилол; 20. Метиловый спирт, 100 %; 21. Соляная кислота, 30 %;

22. Бензол; 23. Толуол; 24. Этилацетат; 25. Ацетон; 26. Пентан; 27. Иодистый этил; 28. Диэтиловый эфир; 29. Бромистый этил; 30. Сероуглерод; 31. Амилацетат; 32. Гептан; 33. Октан; 34. Хлороформ; 35. Хлорбензол; 36. Этиленгликоль.

в) Определим параметр Прандтля (для каждой зоны) для горячего потока при средней температуре стенки.

(609)

при этом, средней температурой стенки ( ) для каждой зоны следует задаваться, исходя из диапазона: .

г) Определим параметр Грасгрофа (для каждой зоны) для горячего потока при средней температуре, используя слегка модернизированную формулу (522):

(610)

д) Рассчитаем для каждой зоны горячего потока при его средней температуре критерий Нусельта, для чего воспользуемся слегка модернизированными формулами (519, 523 и 524):

При: :

(611)

При: :

(612)

При: 2320 < <10⁴:

(613)

е) Вычислим для каждой зоны горячего потока при его средней температуре коэффициент теплоотдачи ( ), используя слегка модернизированную формулу (518):

(614)

Для конденсирующегося водяного пара можно также воспользоваться табл. 31.

Табл.31.

Коэффициенты теплоотдачи для конденсирующегося водяного пара

Давление (Р), МПа	0,1	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
, Вт/м2.0С	5800	17400	51240	85080	118920	152760

5.3.2. Специфические формы течения горячего потока.

Е сли горячий поток течёт в прямых трубах, то можно воспользоваться специальной номограммой (рис. 93 и 94).

Рис.93. Номограмма для определения коэффициента теплоотдачи в прямых трубах при Re>10000 и =1