Расчет теплоотдачи в конденсаторах.

Расчет теплоотдачи при конденсации холодильных агентов. Рас­четные зависимости для коэффициентов теплоотдачи необходимо выбирать в зависимости от условий протекания процесса конденса­ции в аппарате того или иного типа. Для аппаратов существующих конструкций можно выделить следующие условия конденсации:

1) на пучках гладких или оребренных горизонтальных труб;

2) на пучках вертикальных гладких труб;

3) внутри вертикальных или горизонтальных труб и каналов;

4) внутри шланговых змеевиков;

5) в присутствии неконденсирующихся газов.

В основе всех расчетных зависимостей для коэффициента тепло­отдачи лежит формула Нуссельта, полученная аналитическим путем для пленочной конденсации неподвижного пара на поверхности вертикальной и горизонтальной стенки:

,

где С – коэффициент, равный 0,72 для горизонтальной и 0,943 для вертикальной поверхностей; r - теплота парообразования, Дж/кг; - плотность жидкости, ; - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК); g - ускорение свободного паления, ; - динамическая вязкость, ; -разность температуры конденсации и стенки; - наружный диаметр трубы, м.

Параметры, входящие в формулу, выбирают при температуре конденсации.

Конденсация на пучках гладких горизонтальных труб – характерна для аммиачных кожухотрубных конденсаторов. Среднее значение коэффициента теплоотдачи рассчитывается по формуле:

,

где - разность энтальпии рабочего вещества на входе и на выходе из аппарата, Дж/кг; - коэффициент, учитывающий изменение скорости пара по мере прохождения труб; - коэффициент, учитывающий скорость пара в первом горизонтальном ряду.

Re^// и Pr^//- определяются по физическим параметрам сухого насыщенного пара при температуре конденсации.

Конденсация на пучках оребренных горизонтальных труб.

Коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

,

где - коэффициент, учитывающий различные условия конденсации на вертикальных и горизонтальных участках поверхности оребренной трубы.

Конденсация на вертикальной стенке и трубе.

При волновом движении пленки конденсата по поверхности вертикальной трубы коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле Нуссельта с поправкой на режим движения и определяющем размере . Поправка, учитывающая развитие волнового процесса (течения) имеет вид:

.

Критическое значение критерия Рейнольдса , разделяющее волновое движение пленки конденсата от турбулентного - .

Конденсации внутри вертикальных труб и каналов.

При коэффициент теплоотдачи определяют по формуле:

;

при ,

где - величина, определяемая по формуле Нуссельта. Определяющим размером в ней является высота канала .

Конденсация внутри горизонтальных труб.

При конденсации хладононов в медных трубах среднее значение коэффициента теплоотдачи можно определить по формуле Нуссельта, принимая C=0,72. Для условий конденсации пара внутри горизонтальных труб, соединенных “калачами”, коэффициент теплоотдачи рассчитывается:

,

где - коэффициент, учитывающий специфику конденсации в змеевике. При конденсации аммиака в круглых трубах средний коэффициент теплоотдачи определяют:

.

В конденсаторах холодильных машин конденсация пара происходит, как правило, в присутствии неконденсирующихся примесей (в основном воздух). Даже незначительное количество воздуха в парах холодильного агента приводит к значительному уменьшению α. Так присутствие воздуха в количестве 2,5% вызывает уменьшение α больше чем в 4 раза.

Расчет теплоотдачи со стороны охлаждающей среды.

При выборе расчетных зависимостей для определения коэффициента теплоотдачи со стороны охлаждающей среды необходимо учитывать условия омывания средой тепло передающей поверхности.

В зависимости от типа конденсатора передача теплоты от поверхности осуществляется:

• воде, протекающей внутри труб;

• воде, стекающей пленкой по тепло передающей поверхности;

• воздуху при вынужденном его движении поперек оребренного пучка труб;

• воде, орошающей поверхность труб с частичным испарением в воздух;

• воздуху при свободном остывании теплопередающей поверхности;

Теплоотдача при вынужденном движении среды в трубах и каналах.

Интенсивность теплоотдачи зависит от режима движения, различают ламинарный, переходный и турбулентный режимы движения охлаждающей среды. При значении Re£2000 – ламинарный, Re³10000 – турбулентный. При расчете чисел подобия в качестве определяющего размера используют эквивалентный диаметр:

,

где f - площадь поперечного сечения канала; П - смоченный периметр. Коэффициент теплоотдачи определяют из формулы для числа Нуссельта:

Для ламинарного движения в зависимости от условий можно выделить вязкостной и вязкостно-гравитационный режимы. Вязкостной режим характеризуется условием: Rа<3ּ10⁵. Число Релея определяет гидродинамический режим свободного потока: Ra=GrּPr. Для вязко-гравитационного режима (Ra> ) расчетное уравнение имеет вид:

,

где E_l – коэффициент, учитывающий изменение по длине трубы. При турбулентном режиме расчетное уравнение имеет вид:

.

При переходном режиме движения среды используют уравнения для турбулентного режима, вводя в них поправочный множитель , зависящий от значения Re.

Поперечное обтекание оребернных труб (воздушные испарительные конденсаторы). Средний коэффициент теплоотдачи при обтекании гладких труб определяют по уравнению:

Nu=cRe^m Pr^0,34 E_z,

E_z – коэффициент, учитывающий влияние числа рядов труб по ходу воздуха, c и m - определяют на основании экспериментальных данных.

При использовании оребренных пучков труб расчетные зависимости имеют более сложный характер. Это обусловлено влиянием формы, размеров, шага ребер, их тепловой эффективности. При поперечном обтекании пучков труб с круглыми ребрами применяют уравнение:

,

где u и h - шаг и высота ребер, м;

d - диаметр трубы в основании ребер;

значения - указаны в специальной литературе.

Для условия обтекания воздухом коридорных пучков труб с пластинчатыми ребрами используют уравнение:

где L - длина поверхности в направлении потока. Из приведенных уравнений находят конвективный коэффициент теплоотдачи:

.

В формулу для расчета коэффициента теплопередачи входит не истинный (конвективный), а приведенный коэффициент теплоотдачи:

,

и - площадь, соответственно, межреберных участков и ребер на 1м длины трубы, ;

- коэффициент эффективности ребра,

- коэффициент, учитывающий неравномерность теплоотдачи по высоте ребра( =0.85).

Теплоотдача стекающей пленки жидкости. Одним из этапов расчета оросительных, испарительных и вертикальных кожухотрубных конденсаторов является определения коэффициента теплоотдачи от поверхности воды, стекающей в виде пленки. Для случая орошения жидкостью наружной поверхности горизонтальных труб расчетные уравнения имеют вид:

Для воды α можно определить по упрощенной формуле:

,

Г_l - расход жидкости, приходящийся на 1м длины одной трубы ( ).

При орошении поверхности вертикальных труб для расчета α применяют формулы:

В числах Nu и Ga определяющим размером является высота трубы.