3.3.1.1.3 Коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи

Коэффициент теплопередачи для плоской поверхности теплообмена определяется по формуле

, Вт/(м^2град), (3.21)

где ₁ и ₂ – коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителей, Вт/(м^2град); r_ст – сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений, (м^2град)/Вт.

Это уравнение с достаточной степенью точности можно применять для расчета теплопередачи через цилиндрическую стенку, если d_н/d_вн<2 (d_н,d_вн – соответственно наружный и внутренний диаметры цилиндра), что имеет место в теплообменных аппаратах.

Для предварительных расчетов площади поверхности теплообмена можно использовать ориентировочные значения коэффициента теплопередачи К, которые приведены в таблице 3.6.

Сумма термических сопротивлений стенки определяется выражением

, (3.22)

где _ст – толщина стенки трубы, м;

_ст – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м^.град);

 r_загр – сумма термических сопротивлений загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей.

Тепловая проводимость загрязнений на стенках (1/r_загр) зависит от рода теплоносителя, его температуры и скорости, а также от материала стенки, температуры нагревающей среды и длительности работы аппарата без очистки, т.е. в конечном счете от рода осадка или продукта коррозии. Точные данные о r_загр можно получить только опытным путем.

Ориентировочные значения тепловой проводимости загрязнений приведены в таблице 3.7.

При редких чистках аппарата или сильной коррозии значение 1/r_загр может уменьшаться до 500 Вт/(м^2.град) и ниже.

Для расчета коэффициента теплопередачи К по уравнению (1.14) необходимо определить коэффициенты теплоотдачи ₁ и ₂.

Таблица 3.6 – Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи К, Вт/(м^2.град)

Вид теплообмена	Вынужденное движение теплоносителя	Свободное движение теплоносителя
От газа к газу (при невысоких давлениях) От газа к жидкости (газовые холодильники) От конденсирующего пара к газу (воздухоподогреватели) От жидкости к жидкости (вода) От жидкости к жидкости (углеводороды, масла) От конденсирующего водяного пара к воде (конденсаторы, подогреватели) От конденсирующего пара органических веществ жидкостям (подогреватели) От конденсирующегося пара органических веществ к воде (конденсаторы) От конденсирующегося пара к кипящей жидкости (испарители)	10–40 10–60 10–60 800–1700 120–270 800–3500 120–340 300–800 –	4–12 6–20 6–12 140–340 30–60 300–1200 60–460 230–460 300–2500

Таблица 3.7 – Тепловая проводимость загрязнений 1/r_загр, Вт/(м^2.град)

Теплоносители

1/rзагр

Вода: загрязненная среднего качества хорошего качества дистиллированная Конденсат Раствор: аммиачный солей щелочей Кислота: уксусная соляная, фосфорная, серная Водяной пар (с содержанием масла) Нефтепродукты чистые, масла, пары хладагентов Сероуглерод Углеводороды низкокипящие Ацетон, растворители Аммиак Органические жидкости, рассолы, жидкие хладагенты Органические пары Углеводороды ароматические Полимеризующиеся вещества Воздух Дымовые газы

1 400–1 800 1 860–2 900 2 900–5 800 11 600 25 000 6 670 5 000 2 500 2 000 2 000 5 800 2 900 5 000 5 000 10 000 4 000 5 800 11 600 5 560 2 200 2 800 1 700

Выбор уравнений для расчета коэффициентов теплоотдачи зависит от характера теплообмена, вида выбранной поверхности теплообмена, режима движения теплоносителей. Основные виды теплоотдачи в теплообменных аппаратах приведены в таблице 3.8.

Таблица 3.8 –Возможные виды теплоотдачи в теплообменных аппаратах

Вид теплоотдачи
А 1	Конвективная теплоотдача, не сопровождающаяся изменением агрегатного состояния I. Вынужденное движение Течение в трубах и каналах:

Продолжение таблицы 3.8

2 3 4 5 Б 1 2 В

а) развитое турбулентное течение (Re > 10 000) б) Re < 10 000 Поперечное обтекание пучков труб: а) гладких б) оребренных Течение вдоль плоской поверхности Стекание жидкости пленкой по вертикальной поверхности Перемешивание жидкостей мешалками II. Свободное движение (естественная конвекция) Теплоотдача при изменении агрегатного состояния Пленочная конденсация пара Кипение жидкостей Теплоотдача при тепловом излучении твердых тел

В общем виде критериальная зависимость для определения коэффициентов теплоотдачи имеет вид

Nu = f (Re; Pr; Gr; Г₁; Г₂; …), (3.23)

где – критерий Нуссельта;

– критерий Рейнольдса;

– критерий Прандтля;

Г₁, Г₂, … – симплексы геометрического подобия.

Кроме указанных в критериальные уравнения могут входить

– критерий Галилея ;

– критерий Грасгофа ;

– критерий Пекле .

Эти критерии учитывают, соответственно, влияние физических свойств теплоносителя и особенностей гидромеханики его движения на интенсивность теплоотдачи.

Величины, входящие в выражения для критериев подобия, и их единицы измерения приведены в таблице 3.9.

Критериальные уравнения для расчета коэффициентов теплоотдачи указанных в таблице 3.8 случаев теплообмена приведены в [1, с. 49-54; 2, с. 152-168; 3, с. 70-76].

Физико-химические свойства жидкости (газа), входящие в критериальные уравнения, необходимо брать при так называемой определяющей температуре. Какая температура принимается за определяющую, указывается для каждого частного случая теплоотдачи.

Таблица 3.9 – Величины, входящие в критериальные уравнения конвективного теплообмена

Величина	Наименование	Единица измерения в СИ
      а=/(с) с g r t 	Коэффициент теплоотдачи Коэффициент объемного расширения Коэффициент теплопроводности Динамический коэффициент вязкости Кинематический коэффициент вязкости Плотность Коэффициент температуропроводности Удельная теплоемкость ( при постоянном давлении) Ускорение свободного падения Определяющий геометрический размер (для каждой формулы указывается, какой размер является определяющим) Теплота парообразования (испарения) удельная Разность температур стенки и жидкости (или наоборот) Скорость	Вт/м2.град град-1 Вт/(м.град) Па.с м2/с кг/м3 м2/с Дж/(кг.град) м/с2 м Дж/кг Град м/с