8185

УДК 621.1

Дыскин, Л.М. Тепловой и гидравлический расчеты теплообменников [Электронный ресурс]: учеб.-метод. пос. / Л.М. Дыскин, М.С. Морозов; Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. – Н. Новгород: ННГАСУ, 2016. – 74 с. – 1 электрон. опт. диск (CD-RW)

Ключевые слова: регенератор, поверхность нагрева, рекуператор, теплообменник, тепловой расчет, гидравлический расчет.

Изложены методы расчета теплообмена и гидродинамики в промышленных теплообменных аппаратах. Рассмотрены механизмы интенсификации теплообмена при использовании продольно-профилированных и прерывистых поверхностей теплообмена, подходы различных исследователей и авторов пособия к обобщению экспериментальных данных.

Предназначено обучающимся в ННГАСУ для подготовки к практическим занятиям (включая рекомендации по организации самостоятельной работы) по дисциплине «Расчет и проектирование тепломассообменного оборудования» по направлению подготовки 13.04.01 Теплоэнергетика и теплотехника, профиль Тепломассообменные процессы и установки.

© Л.М. Дыскин, М.С. Морозов, 2016 © ННГАСУ, 2016

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

В пособии приведены основные уравнения и формулы по теплообмену и гидродинамике, используемые при выполнении конструктивных и поверочных расчетов теплообменных аппаратов. Проанализировано состояние вопроса об интенсификации теплообмена в каналах кожухо-трубчатых, пластинчатых и ребристых теплообменников. Изложены подходы различных авторов к объяс-

нению механизма интенсификации, обобщению имеющихся опытных данных по теплообмену и гидродинамике в трубах и каналах с продольно-профи-

лированными и прерывистыми стенками. Приведены также результаты иссле-

дований, выполненных авторами пособия. В основу последних положена мо-

дель прерывистого ламинарного подслоя, предложенная А.Л. Ефимовым. Ее развитие позволило объяснить эффект интенсификации теплообмена более ранней потерей гидродинамической устойчивости пристенным подслоем, объ-

яснить эффект опережающего роста коэффициентов теплоотдачи по сравнению с коэффициентами трения. В результате обобщения известных опытных данных получить зависимости для расчета теплообмена и гидродинамики в каналах ря-

да эффективных поверхностей.

4

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНЫХ ТЕПЛООБМЕНЫХ

АППАРАТОВ

В общем случае расчет теплообменного аппарата включает тепловой,

гидравлический, прочностной и технико-экономический расчеты. В зависимо-

сти от цели и исходных данных любой из них может быть выполнен как про-

ектный, конструкторский или поверочный. В первом случае, как правило, под-

бираются стандартный аппарат, во втором – осуществляют его детальную про-

работку. Если тип и размеры аппарата известны и требуется проверить, обеспе-

чит ли он заданную тепловую мощность, определить конечные параметры теп-

лоносителей, проверить соответствуют ли допустимым потери давления в ка-

налах, механические напряжения в элементах конструкций, выполняют пове-

рочный расчет. Традиционно не делают различия между проектным и кон-

структорским (конструктивным) расчетами. Но в последние годы наметилась тенденция к их разделению.

При проектировании типовых установок также принято использовать ме-

тодику поверочного расчета, для чего производят предварительный подбор теплообменных аппаратов. По известным расходам и ориентировочным значе-

ниям скоростей теплоносителей с помощью уравнения неразрывности рассчи-

тывают проходные сечения каналов для каждого из теплоносителей и по спра-

вочникам и каталогам выбирают тип аппарата и его размеры. После этого про-

веряют, удовлетворяет ли он заданным условиям.

В проектном или конструкторском расчетах обычно используют метод среднего температурного напора, в поверочном – чаще метод эффективности.

В первом случае система включает уравнение теплового баланса

(1.1)

где G1, G2 – расходы; h1 , h2 – энтальпии теплоносителей на входе и h1 , h2 – на выходе из аппарата; Q – тепловая мощность; η – КПД теплообменного аппарата.

5

Для газов и жидкостей h1 h1 c1(t1 t1) и h2 h2 c2(t2 t2), где с1 и с2 –

средние удельные изобарные теплоемкости теплоносителей в интервалах изме-

нения их температур t1 и t2. Поэтому уравнение (1.1) принимает вид

где с1 и с2 – средние удельные изобарные теплоемкости теплоносителей в ин-

где k – коэффициент теплопередачи; F – площадь поверхности теплообмена; t

– средний температурный напор, который рассчитывают по формуле:

носителей в аппарате Его значение определяют в зависимости от параметров

щимся пределом функции lim tп при tб/ tм → 1. При прямотоке и противо-

токе ε t = 1, причем при прямотоке в формуле (1.5) tб t1 t2 и tм t1 t2.

Поверхности теплообмена изготавливаются обычно из тонкостенных

труб или пластин. Поэтому влиянием их кривизны пренебрегают и для коэф-

фициента теплопередачи, как правило, пользуются формулой для плоской стенки:

6

где α1 и α2 – коэффициенты теплопередачи теплоносителей; k – коэффициент теплопроводности материала стенки; δ – толщина стенки; R1, R2 – термические сопротивления загрязнений поверхности теплообмена.

Коэффициенты теплоотдачи рассчитывают по известным формулам из курса тепломассообмена. Основные из них приведены в табл. 1.1-1.3. Значения термических сопротивлений R1 и R2 можно ориентировочно определить по дан-

ным табл. 1.4. Конструктивные характеристики стандартных пластинчатых теплообменников, необходимые для расчета теплообмена, см. в табл. 1.5.

Кроме этого, базовая система уравнений включает уравнения неразрыв-

ности для каждого из теплоносителей:

где ρ1, ρ2 – плотности и w1, w2 – скорости теплоносителей; f1, f2 – проходные се-

чения каналов для каждого из них, а также соотношения, связывающие пло-

щадь поверхности теплообмена, проходные сечения каналов с линейными раз-

мерами теплообменника.

Поверочный расчет часто выполняют методом эффективности. В нем ис-

пользуют характеристики теплообменников в виде зависимостей эф-

фективности аппарата от числа единиц переноса и отношения полных тепло-

емкостей теплоносителей. Их получают из совместного решения уравнений теплового баланса и теплопередачи с учетом формулы для среднего темпера-

турного напора. Для греющего теплоносителя и для нагреваемого имеем со-

ответственно в общем виде

7

Конкретный вид характеристик зависит от схемы движения теплоноси-

телей в аппарате, например:

для прямотока:

денсации насыщенного пара в парожидкостном подогревателе t1 = const, ω2 = 0

В случае фазовых изменений обоих теплоносителей t1 = const, поэтому использование метода эффективности теряет смысл. Более того, в этом случае,

температурный напор определяется как разность температур насыщения тепло-

носителей t = t1н – t2н.

При отсутствии точной формулы для эффективности теплообменника,

можно воспользоваться приближенными зависимостями Ф. Трефни [27]:

где fφ = 0 – для прямотока, fφ = 1 – для противотока (значения для других схем

приведены в табл. 1.6)

Таблица 1.1

Основные формулы для расчета коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления в теплообменных аппаратах*

*Для пучков труб, профилированных поверхностей коэффициент сопротивления обычно эффективная величина, включающая кроме коэффициента трения еще и коэффициенты местных сопротивлений

**Значения для термического Xт и гидродинамического Xг начальных участков, предельные значения чисел Nu∞ и коэффициент трения λ∞ на участке гидродинамической стабилизации см. табл. 1.2