2.6 Расчет коэффициентов теплопередачи

Коэффициент теплопередачи рассчитываем, исходя из того, что при установившемся процессе передачи тепла справедливо равенство:

(2.13)

Коэффициент теплопередачи К в [Вт/(м² К)] можно рассчитать по уравнению:

, (2.14)

где q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м²; q = Q/F; и– коэффициенты теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке и от стенки к кипящему раствору соответственно, Вт/(м²∙К); – сумма термических сопротивлений стенки загрязнений и накипи, (м²∙К/Вт); – разность температур между греющим паром и стенкой со стороны пара в первом корпусе, ºС;– перепад температур на стенке, ºС;– разность между температурой стенки со стороны раствора и температурой кипения раствора, °С.

Порядок расчета коэффициента теплопередачи следующий. Задаемся величиной ; рассчитываем по приведенным ниже уравнениям коэффициенты теплоотдачии тепловые потоки. Сравниваем величину тепловых потоков. Если, то задаемся другим значениеми снова рассчитываемпо тем же формулам. Как правило, снова, поэтому истинное значение теплового потокаq и разность температур определяем графически. Для этого строим график зависимостии соединяем точки,прямыми линиями (рис. 2.1). Точка пересечения этих линий и определяет истинную величинуq и . Затем определяют значенияии рассчитывают коэффициент теплопередачиK.

Коэффициент теплоотдачи рассчитываем по уравнению:

, (2.15)

где – теплота конденсации греющего пара, Дж/кг;– разность температур конденсата пара и стенки, ºС;– соответственно плотность, кг/м³, теплопроводность Вт/(м∙К) и вязкость конденсата, Па∙с, при средней температуре плёнки:

Первоначально принимаем

ºС.

Значения физических величин конденсата берём при t_пл = 142,85 ºС.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящему раствору в условиях его естественной циркуляции для пузырькового режима в вертикальных трубах равен:

, (2.16)

где – плотность греющего пара в первом корпусе,– плотность пара при атмосферном давлении;– соответственно, теплопроводность, поверхностное натяжение, теплоемкость и вязкость раствора в первом корпусе.

Значения величин, характеризующих свойства растворов NaCl, представлены в таблице 2.5.

Таблица 2.5 – Физические свойства растворов NaCl

Параметр	Корпус
	1	2	3
Плотность раствора, , кг/м3	993,3	1008,6	1056,7
Вязкость раствора,	0,35	0,37	0,43
Теплопроводность раствора,	0,594	0,592	0,585
Поверхностное натяжение,	73,97	74,97	77,69
Теплоёмкость раствора,	4030	3980	3890

Проверим правильность первого приближения по равенству удельных тепловых нагрузок:

Как видим

Для второго приближения примем

Очевидно, что

Для определения строим графическую зависимость тепловой нагрузкиq от разности температур между паром и стенкой (см. рис. 2.1) и определяем = 1,32 ºС.

Рис. 2.1 – Зависимость удельной тепловой нагрузки q от разности температур

Проверка:

Как видим

Рассчитываем коэффициент теплопередачи К₁ в первом корпусе:

Коэффициенты теплопередачи для второго корпуса К₂ и третьего К₃ можно рассчитывать так же, как и коэффициент К₁ или с воспользоваться соотношением коэффициентов, полученных из практики ведения процессов выпаривания. Эти соотношения варьируются в широких пределах:

К₁ : К₂ : К₃ = 1:(0,85÷0,5):(0,7÷0,3)

Для растворов щелочей и нитратов соотношение коэффициентов теплопередачи принимают по нижним пределам, а для растворов солей – по верхним.

Для раствора NaCl примем следующее соотношение:

К₁ : К₂ : К₃ = 1:0,85:0,7

Тогда

При кипении раствора в пленочных выпарных аппаратах коэффициент теплоотдачи рекомендуется определять по уравнению

, (2.17)

где с – коэффициент; – теплопроводность кипящего раствора, Вт/м∙К;– толщина пленки (м), определяемая по уравнению

, (2.18)

где – кинематическая вязкость раствора, м²/с; – критерийRe для пленки жидкости; – линейная плотность орошения, кг/(м∙с);– расход раствора, поступающего вi-й корпус, кг/с; – смоченный периметр, м;– вязкость кипящего раствора, Па∙с;q – удельная тепловая нагрузка, которую в расчете принимают равной , Вт/м².

Значения коэффициента с и показателей степеней в уравнении (2.17):

при q < 20000 Вт/м²: с = 163,1; n = –0,264; m = 0,685;

при q > 20000 Вт/м²: с = 2,6; n = 0,203; m = 0,322;

В аппаратах с вынесенной зоной кипения, а также в аппаратах с принудительной циркуляцией обеспечиваются высокие скорости движения раствора в трубках греющей камеры и вследствие этого – устойчивый турбулентный режим течения. Принимая во внимание, что разность температур теплоносителей (греющего пара и кипящего раствора) в выпарном аппарате невелика, для для расчета коэффициентов теплоотдачи со стороны жидкости можно использовать эмпирическое уравнение:

(2.19)

Физические свойства растворов, входящие в критерии подобия, находят при средней температуре потока, равной

(2.20)