2.3 Основы теплового расчета рекуперативных аппаратов с однофазными теплоносителями.

1. Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при движении жидкости в канале при ламинарном режиме М.А. Михеевым рекомендуется следующая расчетная формула:

.

При ламинарном течении, как видно из уравнения (2.21), теплоотдача существенно зависит от интенсивности свободной конвекции, определяемой значением числа Грасгофа . Влияние рода жидкости учитывается числом Прандтля и влияние направления теплового потока - комплексом .

2. При развитом турбулентном режиме свободное движение в жидкости невозможно, и число Грасгофа из состава определяющих выпадает. В этом случае критериальное уравнение имеет вид:

.

Эта формула применима для всех капельных и газообразных жидкостей ( =0,6-2500) при =10⁴-5×10⁶

Для газов уравнение (2.22) упрощается ввиду того, что почти не зависит от температуры. Например, для воздуха оно имеет вид

.

3. При переходном режиме движения теплоносителей, т.е. при , расчет необходимо вести по формуле:

.

Коэффициент берется из таблице.

Значения коэффициента

	2,2	2,3	2,5	3,0	3,5	4	5	6	7	8	9
	2,2	3,6	4,9	7,5	10	12,2	16,5	20	24	27	30

Определение средних температур скоростей

и проходных сечений теплоносителей

Уравнения ( ) применимы для расчета теплопередачи в каналах любой формы поперечного сечения, а также для продольно-омываемых пучков труб при >50. В них в качестве определяющей температуры берется средняя температура теплоносителей (горячего или холодного):

- греющего, - нагреваемого

или средняя температура стенки трубы

.

Число Рейнольдса ,

где - эквивалентный диаметр для поперечного сечения первичной (греющей) среды для кожухотрубного теплообменного аппарата, м;

- внутренний диаметр кожуха, м;

- наружный диаметр трубки вторичной (нагреваемой) среды, м;

- количество трубок для прохода нагреваемой среды, шт;

- скорость течения греющей среды, м/с;

- объемный расход греющей среды, м³/с;

- площадь живого сечения греющей среды, м²;

- скорость течения нагреваемой среды, м/с;

- объемный расход нагреваемой среды, м³/с;

- площадь живого сечения прохода нагреваемой среды, м²;

- внутренний диаметр трубки, м;

- коэффициент кинематической вязкости среды (греющей и нагреваемой) при средних температурах, м²/с;

- число Прандтля при средних температурах;

- коэффициент температуропроводности, м²/с;

- число Прандтля при средней температуре стенки .

Коэффициент теплоотдачи от греющей среды к стенке:

, Вт/(м²×К).

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой среде:

, Вт/(м²×К).

В общем случае эквивалентный диаметр равен учетверенной площади поперечного сечения канала, деленной на его полный (смоченный) периметр, независимо от того, какая часть этого периметра участвует в теплообмене:

, м,

где - площадь поперечного сечения канала, м²;

- полный периметр канала, м.

Для труб круглого сечения эквивалентный диаметр равен геометрическому.

4. Для расчета среднего коэффициента теплоотдачи поперечно-омываемых для пучков труб рекомендуются следующие соотношения:

а) Коридорные пучки труб:

при ,

при .

б) Шахматные пучки труб:

при ,

при .

Эти соотношения позволяют определить среднее значение коэффициента теплоотдачи для трубок третьего и всех последующих рядов в пучках.

Значения коэффициента теплоотдачи для трубок первого ряда пучка определяются путем умножения найденного среднего значения коэффициента теплоотдачи для трубок третьего ряда на поправочный коэффициент =0,60. Для трубок второго ряда в коридорных пучках =0,90, а в шахматных пучках =0,70.

Если же требуется определить средний коэффициент теплоотдачи всего пучка в целом, то в этом случае необходимо осреднение найденных , которое производится следующим образом:

,

где - коэффициенты теплоотдачи по рядам;

- площади поверхности теплообмена всех трубок в ряду.

Для воздуха расчетные формулы упрощаются и принимают вид:

а) Коридорные пучки труб:

при ,

при .

б) Шахматные пучки труб:

при ,

при .

5. Коэффициент теплоотдачи в изогнутых трубках производится по формулам для прямой трубы с последующим введением в качестве сомножителя поправочного коэффициента .

,

где - радиус змеевика, м;

- диаметр трубы, м.

Иногда коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении воды внутри трубок определяется по упрощенной формуле [3]

, Вт/(м²×К),

где ) или - множитель, находится по таблице.

При турбулентном движении воды поперек пучка трубок [4]

,

где - средняя температура теплоносителя.

6. Коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника может быть определен расчетным путем по методике Укрниихиммаш, согласно которой коэффициенты теплоотдачи при турбулентном течении жидкости и в канале между пластинами определяются из формулы [5]:

.

Коэффициент различен для пластин различных типов. Для наиболее распространенных типов пластин составляет: для пластины поверхностью нагрева 0,3 м² – 0,1; 0,5 м² – 0,135; 0,6 м² – 0,135. Эквивалентный диаметр , к которому относятся числа и , составляют для пластин указанных типов соответственно 0,008, 0,009, 0,0083 м. С учетом (2.40) уравнение для коэффициента теплопередачи пластинчатого теплообменника имеет вид:

,

где - кинематическая вязкость, температуропроводность, теплопроводность теплоносителей;

- скорость теплоносителя в канале;

Индексы 1 и 2 относятся к первичному и вторичному теплоносителям;

- толщина пластины и ее теплопроводность.

В отличие от кожухотрубных теплообменников с латунными трубками , где термическим сопротивлением трубок можно пренебречь, в пластинчатых теплообменниках из-за значительно меньшего для стали значение соизмеримо с величинами .

Значение температурных множителей в формулах

для определения коэффициентов теплоотдачи

Конденсирующийся пар					Вода при турбулентном движении
Темпера-тура насыщения, , °С	, формула 40	, формула 39	, формула 41	, формула 42	Темпера-тура, , °С	, формула 31
20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180	5,16 7,88 11,4 15,6 20,9 27,1 34,5 42,7 51,5 60,7 70,3 82,0 94,0 107 122 136 150	- - - - - - 8437 8687 8925 9135 9327 9467 9560 9653 9699 9769 9819	- - - - - - 12140 12601 13031 13402 13734 14001 14246 14392 14501 14600 14629	2,18 2,78 3,44 4,14 4,90 5,71 6,60 7,53 8,49 9,39 10,35 11,45 12,56 13,72 15,00 16,28 17,44	20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180	2030 2220 2400 2574 2733 2896 3042 3187 3314 3439 3554 3663 3762 3852 3937 4012 4076

Поверхность нагрева теплообменника

,

где - теплопередающая поверхность одной пластины; - число пластин в аппарате.

Общее число каналов в аппарате на единицу меньше числа пластин. Поэтому при нечетном числе пластин общее число каналов четное и оба теплоносителя имеют одинаковое число каналов. В противном случае число каналов одного теплоносителя на единицу больше, чем другого. При обычно применяемых аппаратах с числом пластин, измеряемым десятками, указанное различие в числе каналов может не учитываться, и число каналов каждого теплоносителя определяется по формуле . Эквиваленты расходов теплоносителей

,

где - сечение канала;

- число ходов теплоносителя;

- плотность и теплоемкость теплоносителей.