3.2. Теплообмен однофазных теплоносителей

Теплообмен однофазных теплоносителей в теплообменных аппаратах ПТУ имеет место при течении воды внутри трубок поверхности теплообмена, при наружном обтекании трубных пучков конденсатом в зоне охлаждения кон­денсата и перегретым паром в зоне снятия перегрева, а также маслом в масло­охладителях.

При течении теплоносителя внутри трубок поток по всему поперечному сечению испытывает тормозящее действие сил вязкости, влияние которых вы­зывает изменение профиля скоростей и температур как по сечению, так и по длине канала, что, в свою очередь, сказывается на теплоотдаче. Течение жидко­сти в трубке может быть ламинарным и турбулентным. Режим течения опреде­ляется величиной числа Рейнольдса: если Re <2000, то течение является лами­нарным, развитое турбулентное течение в технических трубках устанавливается при Re> 10000.

Коэффициент теплоотдачи при течении воды в прямых гладких трубках и каналах при (L/d) > 40 и турбулентном режиме течения определяется по выра­жению:

α=0,023Re^0,8 Рr^0,4 , (3.18)

где d_вн - внутренний диаметр трубки;

λ - коэффициент теплопроводности воды, определяемый по средней тем­пературе воды.

При движении воды внутри спиральных труб, как это происходит в вин­товых змеевиках ПВД, значение коэффициента теплоотдачи вычисляется по формуле, учитывающей изгиб трубы:

, (3.19)

где R_зм - радиус спирали змеевика.

***

При наличии каких-либо факторов, улучшающих или ухудшающих теп­лоотдачу, связанный с ними эффект можно учесть соответствующими поправ­ками к коэффициенту теплоотдачи. Например, при движении воды внутри про­фильных витых трубок к коэффициенту теплоотдачи, вычисленному по форму­ле (3.18), вводится поправка, учитывающая влияние профиля накатки:

, (3.20)

где d_вн внутренний диаметр трубки, м;

h глубина канавки профиля, м;

S расстояние между соседними выступами профиля, м;

длина винтовой линии, м

***

Наружное обтекание жидкостью трубных пучков имеет сложный харак­тер. Трубки пучка оказывают влияние на омывание соседних трубок, в резуль­тате чего теплообмен в пучках трубок отличается от теплоотдачи при наруж­ном обтекании одиночной трубки. Омывание первого ряда трубок шахматного и коридорного пучков происходит аналогично омыванию одиночного цилиндра. Характер обтекания остальных трубок зависит от типа и плотности пучка. В ко­ридорном пучке все трубки второго и последующих рядов находятся в вихревой зоне предшествующего ряда, причем циркуляция жидкости в вихревой зоне слабая, поскольку поток проходит в основном в продольных зазорах между трубками. Поэтому уровень теплоотдачи последующих рядов трубок ниже, чем у трубок первого ряда. В шахматных пучках характер омывания трубок внут­ренних рядов мало отличается от характера омывания трубок первого ряда. На основании многочисленных исследований можно утверждать, что средняя теплоотдача первого ряда различна и определяется начальной турбулентностью потока, а начиная примерно с третьего ряда средняя теплоотдача стабилизиру­ется, так как в глубинных рядах степень турбулентности потока определяется компоновкой пучка.

При поперечном омывании пучков гладких трубок при Re > 6·10³ значе­ние коэффициента теплоотдачи в случае коридорной разбивки определяется по зависимости:

, (3.21)

где α_н - коэффициент теплоотдачи со стороны межтрубного теплоносителя, Вт/(м²·К);

ε_z - поправка, учитывающая число рядов трубок в пучке. При числе рядов z>16, а также при малых числах Рейнольдса (10²<Re<10³) в кори­дорном пучке ε_z=1. Для других условий величина поправки лежит в пределах от 0,7 до 1 (см. рис.3.4);

При поперечном обтекании и шахматной разбивке в пучке прямых и спиральных трубок змеевиков ПВД с соотношением коэффициент теплоотдачи определяется по зависимости

, (3.22)

При поперечном обте­кании и шахматной разбивке таких же трубок в пучке с соотношением коэффициент теплоотдачи вычисляется по формуле

, (3.23)

где S_д - диагональный шаг разбивки трубок,

S₁, S₂ - поперечный и продольный шаг трубок в пучке. Определяющим разме­ром является наружный диаметр трубки d_H .

При продольном обтекании в пучке коэффициент теплоотдачи с наруж­ной стороны определяется по ранее приведенной зависимости (3.18) с той раз­ницей, что здесь определяющим размером является эквивалентный диаметр межтрубного пространства d_э.

Для пучков с разбивкой трубок по равностороннему треугольнику при

S₁=S₂=S . Соответственно и для пучков с квадратной разбивкой трубок .

Как следует из конструкции подогревателей высокого давления (ПВД), в них возможны различные способы обтекания: продольное или перекрестное обтекание прямых трубок в камерных ПВД, смешанное или перекрестное обтекание спиральных змеевиков в коллек­торных ПВД. Для расчета теплоотдачи со стороны теплоносителя в межтруб­ном пространстве при продольном обтекании им прямотрубных пучков с отно­сительными шагами 1,02 < (S/d_н) < 2,5 рекомендуется обобщенная зави­симость

, (3.24)

где α_вн определяется по зависимости (3.18);

B=d_э/d_н,

Число Re определяется по эквивалентному диаметру межтрубного про­странства.

Зависимость (3.23) применима для 3·10³<Re<10⁶ и 0,66<Рr<5,0. За опре­деляющую температуру следует принимать среднюю температуру пара в зоне охлаждения пара (ОП) или конденсата в зоне охлаждения конденсата (ОК).

Среднюю теплоотдачу в пучке прямых трубок при перекрестном обтека­нии можно рассчитать по зависимостям (3.25)-(3.28):

для шахматных пучков при 10³<Re<1,5·10⁵

, (3.25)

при Re>1.5·10⁵

, (3.26)

для коридорных пучков при 10³<Re<1.5·10⁵

, (3.27)

при Re>1,5·10⁵

, (3.28)

где S₁ и S₂ -продольный и поперечный шаги разбивки. Для вычисления числа Re и физических параметров теплоносителей определяющей температурой является средняя температура потока, а определяющим размером - наруж­ный диаметр трубок.

В коллекторных ПВД движение греющей среды (пара в зоне ОП и кон­денсата в зоне ОК) происходит либо в плоскости змеевиков (смешанное обте­кание), либо перпендикулярно плоскости змеевиков (перекрестное обтекание). В зонах ОП и ОК при смешанном обтекании для вычисления коэффициента те­плоотдачи межтрубного теплоносителя рекомендуется зависимость

, (3.29)

Здесь определяющим размером является эквивалентный диаметр меж­трубного пространства.

В случае перекрестного обтекания для расчета теплоотдачи греющей сре­ды используются уравнения:

при 10⁴<Rе<1,5·10⁵

, (3.30)

при Re>1,5·10⁵

, (3.31)

Тепловую эффективность любого теплообменного аппарата достаточно полно отражает величина среднего коэффициента теплопередачи в нем, чис­ленно равная количеству теплоты, переданной за единицу времени от одного теплоносителя к другому через единицу поверхности теплообмена при средней разности температур теплоносителей в 1 градус (см.главу 2).

Коэффициент теплопередачи в поверхностном аппарате ввиду малой толщины стенки трубок с достаточной для практических целей точностью мож­но вычислить по формуле для плоской стенки

, (3.32)

где α₁ α₂- коэффициенты теплоотдачи со стороны внутритрубного и меж­ трубного теплоносителя, Вт/(м²·К);

d_н>d_вн - наружный и внутренний диаметры трубок поверхности теплообме­на, м;

λ_ст - коэффициент теплопроводности материала стенки трубок, Вт/(м·К).

Уровень коэффициента теплопередачи зависит не только от величины ко­эффициентов теплоотдачи теплоносителей, но и от их соотношения между со­бой. Наименьший из коэффициентов теплоотдачи является лимитирующим для величины коэффициента теплопередачи.