6.2. Конвективная теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя без изменения агрегатного состояния

6.2.1. Теплоотдача при движении жидкостей (газов) в трубах

и каналах

При установлении движении жидкости и газов в прямых трубах и каналах критериальные уравнения для теплового критерия Нуссельта имеет следующий вид:

. (6.3)

В формуле (6.4) – гидродинамический критерий Рейнольдса, определяющий режим движения теплоносителя:

, (6.4)

где – линейная скорость движения теплоносителя, м/с;

ρ – плотность теплоносителя, кг/м³ ;

– коэффициент динамической вязкости теплоносителя, Па·с;

– эквивалентный диаметр канала:

, (6.5)

где – живое сечение потока, м²;

– смоченный периметр, м.

Например, при движении теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубного теплообменника вдоль оси эквивалентный диаметр рассчитывается по формуле:

, (6.6)

где – внутренний диаметр корпуса теплообменника, м;

– наружный диаметр трубки, м;

п – число труб в теплообменнике.

При < 2300 (ламинарный режим) тепловой режим рассчитывается по формуле [14]:

, (6.7)

где – коэффициент, учитывающий влияние длины трубы (канала) на коэффициент теплоотдачи. Его численные значения зависят от отношения длины канала к эквивалентному диаметру d_экв;

– длина трубы (канала), м;

– коэффициент динамической вязкости теплоносителя, при средней температуре потока, Па·с;

– коэффициент динамической вязкости теплоносителя, при температуре стенки со стороны потока, Па·с;

– критерий Пекле.

Критерий Пекле рассчитывается по формуле:

. (6.8)

При 2300 < < 10000 (переходный режим) [22]:

(6.9)

При > 10000 (турбулентный режим):

, (6.10)

При , , а при , . Значения поправочного коэффициента от приведены в литературе [16] и др.

При движении жидкости внутри изогнутых труб (змеевиковые, спиральные теплообменники) коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле [14]:

, (6.11)

где – коэффициент теплоотдачи, рассчитанный как для прямой трубы (канала);

– эквивалентный диаметр канала, м;

– диаметр витка, м.

Для пластинчатых теплообменных аппаратов коэффициенты теплоотдачи рассчитывается по следующей формуле [24]:

, (6.12)

где – коэффициент, зависящий от типа пластин;

– средняя температура бензола, °С;

– фактическая скорость среды, м/с.

6.2.2. Теплопередача при поперечном обтекании пучка гладких труб

Этот вид теплопередачи часто имеет место в кожухотрубных теплообменниках. Значение коэффициента теплоотдачи зависит от расположения труб в трубном пучке, угла атаки, т.е. угла под которым поток обтекает трубный пучок. В интервале от 200 до 2·10⁵ коэффициент теплоотдачи рассчитывается из следующих критериальных уравнений:

При коридорном расположении труб в пучке:

при Re < 1000

; (6.13)

при Re > 1000

. (6.14)

При шахматном расположении труб в пучке:

. (6.15)

Определяющая температура – средняя температура теплоносителя, определяющий размер – наружный диаметр трубы.

Формулы (6.13)-(6.15) дают значение коэффициента теплоотдачи для третьего и последующих рядов труб в пучке. Для первого и второго рядов коэффициенты теплоотдачи меньше вычисленных по формулам (6.13)-(6.15) . В уравнениях (6.13)-(6.15) в качестве определяющего размера принимается наружный диаметр трубы. – коэффициент, учитывающий угол атаки. При = 90° = 1, при < 90° < 1.

Значения приведены в справочной литературе [14].