2.3. Расчет температурных напоров

Средний температурный напор между греющей и нагреваемой средами зависит от схемы движения сред.

Схемы движения обменивающихся теплом сред в теплообменных аппаратах подразделяют на:

• прямоток (рис.1-а);

• противоток (рис.1-б);

• смешанный ток (рис.1-в).

В низкотемпературных теплообменниках, при Δt_Б /Δt_М ≤ 1,7 температурный напор можно определять как среднеарифметическое значение по формуле:

а) б) в)

Рис. 1. Изменение температуры теплоносителей по длине теплообменников

при прямотоке (а), противотоке (б) и смешанном токе (в).

При передаче теплоты через толстостенные оболочки, при Δt_Б /Δt_М > 1,7 логарифмический температурный напор рассчитывается по формуле:

, (6)

где и – больший и меньший перепад температур на концах поверхности нагрева, [^oК].

При поперечном обтекании теплообменных трубок температурный напор определяется как для противотока, умноженный на поправочный коэффициент:

Поправочный коэффициент ψ к логарифмическому температурному напору определяется по номограммам рис. 2.

Поправочный коэффициент ψ зависит от схемы взаимного движения теплоносителей и рассчитывается по формуле вида:

,

Где: и – безразмерные температурные напоры;

– максимальный температурный перепад между теплоносителями в теплообменном аппарате, [^oК];

Рис. 2. Значения ψ - поправочного коэффициента, учитывающего схемы течения теплоносителей в теплообменниках;

2.4. Начальные условия для задания коэффициента теплопередачи

При предварительном расчете, как правило, известны условия теплообмена (теплоносители и их ориентировочные параметры, а также материал и вид поверхности теплообмена). Исходя из условия, изложенного ранее о том, что коэффициент теплопередачи всегда меньше меньшего коэффициента теплоотдачи , значения коэффициента теплопередачи может быть выбрано из следующих примерных предпосылок:

• теплоотдача при естественной конвекции воздуха 5 – 12 Вт/(м^2оК);

• вынужденная конвекция воздуха - до 100 Вт/(м^2оК);

• естественная конвекция воды в большом объеме – 500 Вт/(м^2оК);

• вынужденная конвекция воды - 1000÷ 5 000 Вт/(м^2оК);

• вынужденная конвекция жидкого металла – 5 000 ÷ 10 000 Вт/(м^2оК);

• пленочная конденсация – 1000 ÷ 5000 Вт/(м² К);

• пузырьковое кипение воды – 5000 ÷10000 Вт/(м² К);

2.5. Расчет поверхности теплообмена и ее геометрических параметров

Величина поверхности теплообмена определяется, прежде всего, значениями температурного напора и выбранного коэффициента теплопередачи:

[м²]. (7)

Однако, при определении поверхности теплообмена необходимо учитывать геометрические параметры, зависящие от принятых конструктивных решений:

• длина теплообменных трубок, ;

• диаметр и толщина трубок, и ;

• количество трубок, .

Эти конструктивные параметры, в свою очередь, влияют на:

• проходные сечения трубного и межтрубного пространств, и ;

• скорости и режимы движения сред в различных частях теплообменного аппарата.

Следовательно, выбор оптимального соотношения конструктивных параметров можно производить из решения системы уравнений с учетом следующих критериев:

• внутренний диаметр теплообменных трубок, во избежание действия сил поверхностного натяжения на гидродинамическое сопротивление, не должен быть менее 7 мм;

• критерий Рейнольдса (см. далее) должен быть более 10000, так как методики расчета теплообмена, как правило, применимы для турбулентного режима течения.

Система уравнений для течения среды в трубах будет иметь следующий вид:

В системе из двух уравнений пять неизвестных, поэтому для упрощения решения необходимо задаться типоразмером труб ( и ) и их количеством .

При продольном обтекании трубного пучка теплоносителем в межтрубном пространстве система уравнений примет следующий вид:

,

где - внутренний диаметр корпуса аппарата.