3.2 Проектный расчет теплообменного аппарата

Требуемая поверхность нагрева теплообменника по обеим схемам включения (прямоток, противоток), находится исходя из основного уравнения теплопередачи: (21)

где Q– тепловая нагрузка аппарата, Вт;

K– коэффициент теплопередачи рабочей поверхности теплообмена, Вт/(м² K);

Δt_ср - средний температурный перепад между греющей и нагреваемой водой, ^oС.

Тепловую нагрузку определяют по уравнению теплового баланса аппарата:

(22)

Из приведённого балансового уравнения может быть найдена температура греющей воды на выходе из теплообменника , приняв из таблицы (Приложение Б) С_Р1 для температуры

Физические параметры греющей и нагреваемой воды находят по таблице физических свойств воды (Приложение Б) при средней температуре теплоносителя: (23)

Скорости движения теплоносителей определяют по формулам:

(24)

(25)

где d₂=d₁+2, м – наружный диаметр внутренней трубы.

Расчёт коэффициента теплопередачи (K) производят по формуле для плоской стенки, поскольку соотношение диаметров греющей поверхности аппарата значительно меньше 1,8 (d₂ /d₁<<1,8)

(26)

где α₁ и α₂ – коэффициенты теплоотдачи соответственно с внутренней и наружной стороны греющей поверхности, Вт/(м² K).

Коэффициенты α₁ и α₂ определены из уравнения

(27)

где d – определяющий геометрический размер, м;

λ_Ж – коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м K);

Nu_Ж, - критерий Нуссельта.

При подсчёте коэффициента теплоотдачи с внутренней поверхности греющей трубы (α₁) использовать формулы:

а) для турбулентного режима движения (Re > 10⁴)

; (28)

б) для переходного режима движения (Re = 2100 – 10⁴)

_, (29)

при этом, K₀ взять из таблицы 3.1.

Таблица 3.1 - Значения поправочного коэффициента K₀ переходного режима

ReЖ*10-3	2,1	2,2	2,3	2,4	2,5	3	4	5	6	7	8
K0	1,9	2,2	3,3	3,8	4,4	5,0	10,3	15,5	19,5	27	33,3

в) для ламинарного режима движения (Re  2100)

. (30)

Индексы “ж” и “с” означают, что физические константы жидкости взяты соответственно при средней температуре жидкости и средней температуре стенки.

Значения поправочного коэффициента на длину трубы ε_е принять из таблицы 3.2.

Таблица 3.2 - Значения поправочного коэффициента на длину трубы ε_е

l/d		1	2	5	10	15	20	30	40	50
е	Ламинарный режим	1,9	1,7	1,44	1,28	1,18	1,13	1,05	1,02	1,0
	Турбулентный режим	1,5	1,4	1,23	1,14	1,10	1,08	1,04	1,02	1,0

Для определения коэффициента теплоотдачи с наружной поверхности греющей трубы (α₂, использовать те же формулы по расчёту критерия Нуссельта, вводя дополнительный множитель (d₃/d₂)^0,18).

В качестве определяющего размера (диаметра) в расчётах использовать эквивалентный диаметр, равный:

(31)

Используемые в расчётных уравнениях (28), (29) и (30) критерии Рейнольдса (Re), Прандтля (Pr) и Грасгофа (Gr) определять по формулам:

; (32)

; (33)

, (34)

где - коэффициент объёмного расширения;

g = 9,81 м/сек² - ускорение свободного падения.

Для каждой схемы включения аппарата средний температурный напор (Δt_СР) определять как среднелогарифмический:

(35)

где Δt_б и Δt_м – наибольший и наименьший температурные перепады между греющим теплоносителем и нагреваемой водой.

При прямотоке: Δt_б ↑↑ = t^‘_ж1 - t^‘_ж2 , Δt_м ↑↑ = t^‘‘_ж1 - t^‘‘_ж2 ;

При противотоке: Δt_б ↑↓ = t^‘_ж1 - t^‘‘_ж2 , Δt_м ↑↓ = t^‘‘_ж1 - t^‘_ж2.

Расчёт числа секций теплообменника (n_с) произвести по формуле

(36)

где , м² – площадь греющей поверхности одной секции.

Схема теплообменника «труба в трубе» приведена на Рис. 1.