2.2. Расчет коэффициента теплопередачи и окончательный выбор та

Перед окончательным выбором теплообменного аппарата необходимо провести расчет коэффициента теплопередачи k по уравнению (3) и, с учетом результатов расчета, по соотношению (4) определить расчетную площадь поверхности теплообмена F_расч .

Для определения коэффициента теплопередачи необходимо рассчитать коэффициенты теплоотдачи в трубном α_тр и межтрубном α_мтр пространстве.

Коэффициент теплоотдачи в трубном пространстве α_тр находится из соотношения [1, 2, 5]

, (15)

где Re, Pr, Gr – числа подобия теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней арифметической температуре потока; Pr_с - число Прандтля теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА, при средней температуре стенки труб; _тр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в теплообменных трубах ТА; d_н , _ст – наружный диаметр и толщина стенки теплообменных труб.

Средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве выбранного стандартного теплообменного аппарата w_тр , необходимая для определения числа Рейнольдса Re_тр , рассчитывается по формуле

, (16)

где G_тр , _тр – массовый расход и плотность теплоносителя, движущегося в трубном пространстве; f_тр - площадь проходного сечения одного хода по трубам выбранного стандартного ТА.

Значения коэффициентов в уравнении (15) представлены в табл. 7.

Таблица 7

Значения коэффициентов в уравнении (15)

Режим течения, Re	Значения коэффициентов
	C	j	y		i
Ламинарный, Re<2300: а) вязкостное течение, Gr.Pr < 8.105 ; б) вязкостно-гравитационное течение, Gr.Pr ≥ 8.105	1,55.(d/l)0,33 0,15	0,33 0,33	0,33 0,43		0 0,1
Переходный, 2300≤Re≤104 : Re=2300 Re=2500 Re=3000 Re=4000 Re=5000 Re=6000 Re=7000 Re=8000 Re=9000 Re=10000
	3,6	0		0,43	0
	4,9
	7,5
	12,2
	16,5
	20,0
	24,0
	27,0
	30,0
	33,0
Турбулентный, Re>104	0,021	0,8		0,43	0

При расчете коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве следует учитывать, что характер омывания потоком теплоносителя трубного пучка в кожухотрубных теплообменных аппаратах в значительной степени отличается от поперечного омывания идеального пучка гладких труб. Распределение потока теплоносителя в межтрубном пространстве значительно усложняет гидродинамическую картину движения теплоносителя и оказывает существенное влияние на конвективный теплообмен (рис. 8 ).

Коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве α_мтр рассчитывается по формуле [2]

, (17)

где Nu, Re, Pr – числа подобия для теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА, при средней арифметической температуре потока; Pr_с - число Прандтля теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА, при средней температуре стенки труб; _мтр – коэффициент теплопроводности теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве ТА.

Средняя скорость теплоносителя в межтрубном пространстве выбранного стандартного теплообменного аппарата w_мтр , необходимая для определения числа Рейнольдса Re , рассчитывается по формуле

, (18)

где G_мтр , _мтр – массовый расход и плотность теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве; f_в.п , f_м.п - площади проходного сечения в вырезе перегородки и между перегородками в межтрубном пространстве выбранного ТА.

Значения коэффициентов в уравнении (17) зависят от расположения труб в пучке и значений чисел Рейнольдса (табл. 8). В стандартных кожухотрубных теплообменниках трубы располагаются либо по вершинам равносторонних треугольников, либо по вершинам квадратов.

Таблица 8

Значения коэффициентов C₁ , m , n в уравнении (17)

Схема расположения труб в пучке	Число Рейнольдса	Значения коэффициентов
		C1	m	n
	40<Re<103	0,71	0,5	0,36
	103≤Re≤2.105	0,40	0,6	0,36
	Re>2.105	0,036	0,8	0,40
	40<Re<103	0,71	0,5	0,36
	103≤Re≤2.105	0,36	0,6	0,36
	Re>2.105	0,032	0,8	0,40

Поправочный коэффициент C_z учитывает зависимость среднего коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве от числа рядов труб в пучке, омываемых в поперечном направлении Z_п (Приложение II, III, табл. 2-8, 3-8).

Этот коэффициент может быть определен из графика (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость коэффициент C_z от числа рядов труб в пучке, омываемых в поперечном направлении Z_п

Поправочный коэффициент C_п учитывает влияние на конвективный теплообмен в межтрубном пространстве потока, проходящего через окна сегментных перегородок, и зависит от высоты свободного сегмента перегородки B_с

, %, (19)

где h – расстояние от оси перегородки до сегментного выреза; D_пер – диаметр перегородки (рис. 10).

Рис. 10. Схема сегментной перегородки

Высота свободного сегмента определяет долю труб пучка, омываемых поперечным потоком теплоносителя, и меняется для стандартных кожухотрубных ТА от 21 до 33 % (Приложение II, III, табл. 2-4а, 2-4б, 3-4). При оптимизации конструкции теплообменника следует стремиться к тому, чтобы коэффициент C_п был близок к 1.

Для практических расчетов поправочный коэффициент C_п находится из соотношения

C_п = 0,55 + 0,72 φ_n , (20)

где φ_n = N_п/N - относительное количество труб, омываемых потоком в поперечном направлении; N_п - число труб, омываемых потоком в поперечном направлении; N – общее число труб в пучке (Приложение II, III, табл. 2-4а, 2-4б, 3-4).

Поправочный коэффициент C_з учитывает влияние на конвективный теплообмен в межтрубном пространстве потоков теплоносителя, проходящих через зазоры между перегородкой и кожухом, и между трубами и отверстиями в перегородках. Эти потоки могут достигать 40 % от общего расхода теплоносителя и однозначно ухудшают теплоотдачу в межтрубном пространстве. Величины зазоров определяются технологией изготовления, требованиями сборки и разборки кожухотрубных теплообменных аппаратов и регламентируются ГОСТом (табл. 9, 10) [2, 11].

Таблица 9