I.Гранулированный материал; II.Жидкая или газовая теплообменивающаяся среда.

3.4.5. Примером теплообмена смешение при прямотоке является аппарат, изображенный на рис.77.

Рис.77. Схема теплообмена в прямотоке, осуществляемого при транспортировании гранулированного материала.

1. Спускной стояк гранулированного материала; 2. Подъёмный стояк гранулированного материала.

I.Нагреваемый поток.

4. Выбор типа теплообменника и его эксплуатация.

При выборе теплообменного аппарата необходимо учитывать следующее:

1. Конструкция должна быть по возможности простой, позволяющей затрачивать минимум времени на разборку и сборку аппарата при ремонте и смене деталей.

2. Конструкция должна обеспечивать необходимую прочность и надёжность в работе.

3. Металл, из которого изготовлен аппарат, должен противодействовать коррозии.

4. Аппарат должен обеспечивать оптимальные скорости всех потоков.

Важным фактором при выборе является число ходов в теплообменном аппарате. В много ходовых теплообменниках достигаются более высокие коэффициенты теплопередачи, но они менее удобны в эксплуатации, что связано с трудностями при разборке – сборке подобных аппаратов, их чистке и быстрой потерей герметичности перегородками. Поэтому, на практике предпочитают применять теплообменники одноходовые по корпусу и двухходовые в трубном пространстве.

Теплообменники типа «труба в трубе» применяют для высоковязких и загрязненных жидкостей.

Хорошо противостоят сероводородной и хлористоводородной коррозии трубки из так называемого адмиралтейского сплава (70 % Cu, 1 % Sn и 29 % Zn); с изготовлением решеток и крышек из нержавеющей стали; для экономии которой применяют решетки из биметалла. Хорошие результаты наблюдаются при покрытии всех внутренних поверхностей аппарата стеклом или стеклоэмалью, но это ведёт к уменьшению коэффициента теплопередачи. Довольно часто применяют плакировку, т.е. покрытие углеродистой стали нержавеющей сталью. Используют также электрохимические или химические покрытия.

Оптимальные скорости всех потоков выбирают по справочному графику (рис.78).

Рис.78. Кривые для выбора оптимальной скорости потоков в теплообменнике.

1. Амортизационные затраты; 2. Эксплуатационные затраты; 3. Общие затраты.

Особое внимание следует уделять нахождению оптимального предела регенерации тепла, во многом определяющем экономику любого технологического процесса. Чем больше регенерируется тепло, тем больше поверхность теплообмена, выше гидравлические сопротивления, а следовательно, и расход энергии на их преодоление. Поэтому необходимо сопоставление затрат, обуславливаемых усилением регенерации тепла, со стоимостью сэкономленного топлива, что и позволяет выбрать экономически целесообразную степень регенерации тепла для данной технологической установки.

Для сокращения потерь тепла в окружающую среду теплообменники изолируют. Как правило, цилиндрическую часть аппарата покрывают мастичным материалом, например, асбоцементом, после чего штукатурят и облицовывают металлическими листами (в основном алюминиевыми). Головки аппарата несут собственную теплоизоляцию, которая связана с изоляцией цилиндрической части соединительными кольцами. Для облегчения демонтажа теплоизолирующий кожух выполняют из двух половинок и монтируют внахлёстку.

Эффективность работы теплообменника во многом зависит от степени чистоты поверхности теплообмена. Отложения в теплообменных аппаратах могут быть двух видов: твёрдые – окалина, накипь, продукты коррозии металла, механические примеси и т.п.; пористые – тина, грязь, АСПО, шлам и т.п. Эти отложения снижают коэффициент теплопередачи и, как следствие, температуру холодного потока на выходе, не говоря уже о возросших гидравлических сопротивлениях. Чтобы поддерживать коэффициент теплопередачи на должном уровне, аппарат подвергают переодической очистке. Обычно, для однотипных теплообменников используют запасной пучек труб, заменяя им загрязненный. Некоторые из этих загрязнений легко отделяются при продувке паром, другие при промывке водой или бензином, третьи только механическим путём. Практикуется применение минеральных кислот. При механической очистке аппарат раскрывают, пучки труб вынимают из кожуха. Отложения в межтрубном пространстве отбивают зубилами и всю мелочь удаляют скребками и щетками. Внутреннюю поверхность трубок очищают шарошками или длинными стальными прутьями. Заслуживает внимания и так называемый образивный метод очистки кожухотрубчатых теплообменников с помощью взвеси песка.

Нагревающие агенты:

Наиболее удобным и самым распространённым теплоносителем является водяной пар. Его легко транспортировать к месту потребления, а централизованное производство в ТЭЦ или в крупной котельной позволяет наиболее эффективно использовать тепло топлива, совмещая производство пара с выработкой электроэнергии.

Достоинствами водяного пара как теплоносителя являются высокий коэффициент теплопередачи при его конденсации, большие величины скрытой теплоты конденсации, возможность использования конденсата и др.

К недостаткам водяного пара относится сравнительно низкая его температура при высоком давлении. Так, при абсолютном давлении 0,98 МПа температура конденсации пара всего 179⁰С и, следовательно, использовать его можно при нагреве сырья лишь до температуры не выше 160 – 170⁰С. При повышении необходимой температуры нагрева всего на 30 – 40⁰С (до 200⁰С) требуется насыщенный пар уже под давлением 2,5 – 3,0 МПа.

Значительного снижения давления в аппарате при нагреве до высоких температур можно достигнуть, применяя конденсирующийся теплоноситель с более высокой температурой кипения. В промышленной практике применяют, например, смесь дифенила и дифенил оксида, известную под названием даутерма. Температура его кипения при атмосферном давлении равна 257 ⁰С, а при температуре 350⁰С абсолютное давление насыщенных паров всего 0,6 МПа. Однако, скрытая теплота его конденсации значительно ниже, чем у водяного пара.

При нагреве выше 400⁰С применяют легкоплавкую смесь азотнокислых и азотистокислых солей натрия и калия. Так, например, смесь солей, состоящая из NaNO₂ (40 %), NaNO₃ (7 %) и KNO₃ (53 %) плавится при 142⁰С, выдерживает температуру в 600⁰С и имеет вполне приличную теплоту плавления (порядка 81,6 кДж/кг) и теплоёмкость (порядка 2 кДж/кг^.К) при приемлимой вязкости расплава (около 4 мПа^.с).

При нагреве до 200⁰С вполне уместно использовать в качестве теплоносителя нефть или нефтепродукты. Иногда в качестве теплоносителя применяют дымовые газы или горячий воздух, нагреваемый в топках под давле давлением. Недостатками такого теплоносителя является низкий коэффициент теплоотдачи (обычно не выше 58 Вт/м^2.К) и малая теплоёмкость (1,05 – 1,26 кДж/кг^.К). Недостатками такого теплоносителя является низкий коэффициент теплоотдачи (обычно не выше 58 Вт/м^2.К) и малая теплоёмкость (1,05 – 1,26 кДж/кг^.К).

Не редки случаи использования в качестве теплоносителя перегретой воды с температурой 350 – 360⁰С, которая циркулирует в системе под давлением выше 20 МПа.

Охлаждающие агенты.

Наиболее распространённым и дешевым охлаждающим агентом является вода, используемая для охлаждения до 30 – 35⁰С. При этом, различают проточное и оборотное водоснабжение. Во втором случае вода повторно используется после её охлаждения путём частичного испарения в градирнях или специальных бассейнах. Иногда воду частично испаряют под вакуумом. Основное преимущество воды – её доступность и высокий коэффициент теплоотдачи к поверхности в сочетании с большой теплоёмкостью. К недостаткам следует отнести загрязнение наружной поверхности теплообменной аппаратуры.

Широко распространён в качестве охлаждающего агента атмосферный воздух, поскольку затраты на привод вентиляторов меньше затрат на организацию водяного охлаждения. К достоинствам воздуха как охлаждающего агента можно отнести его доступность и отсутствие загрязнений аппаратуры. К недостаткам – низкий коэффициент теплоотдачи (до 58 Вт/м^2.ч) и низкая теплоёмкость (1,0 кДж/кг^.К), вследствии чего массовый расход воздуха ~ в 4 раза превышает расход воды. Немалые неприятности при использовании воздуха в качестве охлаждающего агента связаны с весьма существенными колебаниями его начальной температуры.

При необходимости охлаждения ниже 10 – 15⁰С применяют специальные хладоагенты – испаряющийся аммиак, пропан, этан и другие сжиженные газы. Образующиеся пары хладоагента подвергаются компрессии, сжижаются и возвращаются в процесс. Температура испаряющегося агента легко регулируется изменением давления, при котором происходит испарение.

Наибольшее распространение в нефтяной и газовой промышленности получили кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с поперечными перегородками в межтрубном пространстве. Подобные аппараты принято подразделять и обозначать индексами, состоящими из 2 или 3 букв:

1. По назначению (первая буква индекса) – Т – теплообменники; Х – холодильники; К – конденсаторы; И – испарители.

2. По конструкции (вторая буква индекса) – Н – с неподвижными трубными решетками; К – с линзовым компенсатором;

3. По расположению (третья буква индекса) – Г – горизонтальные; В – вертикальные.

В качестве примера основные сведения о кожухотрубчатых аппаратах с неподвижными трубными решетками по ГОСТам 15119-69, 15120-69, 15121-69 и 15122 –69 для труб 25х2 мм из стали марок 10 и 20 приведены в табл. 8 –11.

Табл.8.

Применение кожухотрубчатых теплообменных аппаратов со стальными трубами.

Тип аппарата	Применение и нормы
	В кожухе	В трубах
Теплообменники ТН и ТК (ГОСТ 15122-69)	Нагревание и охлаждение жидких и газообразных сред
	Температура теплообменивающихся сред от –30 до +3500С
	Рраб для ТН 4 - 25 атм; для ТК 4 – 16 атм.	Рраб 4 – 25 атм.
Конденсаторы КН и КК (ГОСТ 15121-69)	Конденсируемая среда	Охлаждающая среда
	Температура от 0 до +3500С Рраб для КН 4 - 25 атм; для КК 4 – 16 атм.	Вода или другая нетоксичная и не взрыво- и не пожароопасная среда Температура от – 30 до +600С Рраб от 4 до 6 атм.
Холодильники ХН и ХК (ГОСТ 15120-69)	Охлаждаемая среда
	Температура от 0 до +3500С Рраб для ХН 4 - 40 атм; для ХК 4 – 16 атм.
Испарители ИН и ИК (ГОСТ 15119-69)	Греющая среда	Испаряемая среда
	Температура греющей и испаряемой среды от –30 до +3500С
	Рраб для ИН 4 - 40 атм; для ИК 4 – 10 атм.	Рраб от 4 до 10 атм.

Р_раб – предельное рабочее давление, зависящее от характеристики и температуры среды.

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками типа ТН, ХН, КН и ИН можно применять только в тех случаях, когда разность температур кожуха (t_k) и труб (t_т) будет меньше максимальной, приведённой в табл.8.

Если разность (t_k) и (t_т) окажется больше максимально допустимой, то используют кожухотрубчатый теплообменник с линзовым компенсатором типа ТК, КК, ХК и ИК или с плавающей головкой (ГОСТ 14246-69).

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками, предназначенные для аммиачных и углеводородных холодильных установок (ГОСТ 22485-77 и 22486-77) не рассматриваются.

Табл.9.

Площадь поверхности теплообмена (по d_нар) теплообменных аппаратов типа ТН, ТК, ХН и ХК с трубами 25х2 мм

Диаметр Кожуха внутрен. мм	Число труб		ТН, ТК (ГОСТ 15122-69)						ХН, ХК (ГОСТ 15120-69)	nв
	Общее	На один ход	Длина труб, м
			1,0	1,5	2,0	3,0	4,0	6,0
			Площадь поверхности теплообмена, м2
О д н о х о д о в ы е
150 259	13 37	13 37	1,0 3,0	1,5 5,0	2,0 6,5	3,0 10	- -	- -	То же	5 7
307 400 600 800 1000 1200	61 111 261 473 783 1125	61 111 261 473 783 1125	- - - - - -	7,0 - - - - -	9,5 17 40 74 - -	14 26 61 112 182 -	19 35 81 150 244 348	- 52 122 226 366 525	Не применяются	9 11 17 23 31 37
Д в у х х о д о в ы е
325 400 600 800 1000 1200	52 100 244 450 754 1090	26 50 122 225 377 545	- - - - - -	6,0 - - - - -	8,0 15 38 70 - -	12 23 57 106 175 -	16 31 76 142 234 338	- 47 114 212 353 505	То же	8 10 16 22 30 36
Ч е т ы р ё х х о д о в ы е
600 800 1000 1200	210 408 702 1028	52,5 102 175,5 257	- - - -	- - - -	32 64 - -	49 96 163 -	65 128 218 318	98 193 329 479	То же	14 20 28 34
Ш е с т и х о д о в ы е
600 800 1000 1200	198 392 678 1000	33 65,3 113 166,6	- - - -	- - - -	31 62 - -	47 93 160 -	62 125 214 316	93 187 322 476	То же	14 20 28 34

n_в – число рядов труб по вертикали для горизонтальных аппаратов (по ГОСТ 15118-69).

Табл.10.

Поверхность теплообмена (по d_нар) испарителей ИН и ИК и конденсаторов КН и КК с трубами 25х2 мм по

ГОСТ 15119-69 и ГОСТ 15121-69

 кожуха (внутрен.) мм	Число труб		Длина труб, м				Типы аппаратов
	Общее	На один ход	2	3	4	6
			Площадь поверхности теплообмена, м2 (по dнар)
О д н о х о д о в ы е							Испарители ИН, ИК
600 800 1000 1200 1400	261 473 783 1125 1549	261 473 783 1125 1549	40 74 121 - -	61 112 182 260 358	81 150 244 348 480	- - - - -
Д в у х х о д о в ы е
600 800 1000 1200 1400	244 450 754 1090 1508	122 255 377 545 754	- - - - -	57 106 175 - -	76 142 234 338 -	114 212 353 509 706	Конденсаторы КН, КК
Ч е т ы р ё х х о д о в ы е
600 800 1000 1200 1400	210 408 702 1028 1434	52,5 102 175,5 257 358,5	- - - - -	49 96 163 - -	65 128 218 318 -	98 193 329 479 672
Ш е с т и х о д о в ы е
600 800 1000 1200 1400	198 392 678 1000 1400	33 65,3 113 166,6 233,3	- - - - -	46 93 160 - -	62 123 213 314 -	93 185 319 471 659

Табл.11.

Количество ходов по трубкам (К), общее число труб (n), площади поперечных сечений одного хода по трубам

(S_т) и в вырезе перегородки (S_с.ж.), расстояния по диагонали до хорды сегмента (h₁) и допускаемая разность

температур кожуха (t_к) и труб (t_т) при Р_у10 атм иt_т250⁰С для труб 25х2 мм с шагом 32 мм для

стали 10 и 20 (исполнение М1).

Диаметр кожуха внут., мм	К	n	Sт, м2	Sс.ж., м2	h1, мм	(tк - tт), К (для ТН, ХН,КН,ИН)
150	1	13	40	50	25	Для ХН 20 Для ТН 30
259	1	37	140	130	40
325	1	61	210	140	55
	2	52	90
400	1	111	380	220	68	30
	2	100	170
600	1	261 (279)	900	490	111	40
	2	244 (262)	420
	4	210 (228)	180
	6	198 (216)	114		166
800	1	473 (507)	1670	770	166
	2	450 (484)	780
	4	408 (442)	310
	6	392 (426)	220		194
1000	1	783 (813)	2700	12,1	194	5 Для ТН 60
	2	754 (784)	1310
	4	702 (732)	600
	6	678 (708)	380
1200	1	1125 (1175)	3900	1680	222	60
	2	1090 (1140)	1890
	4	1028 (1078)	850
	6	1000 (1050)	570		305

В скобках указано общее количество труб для случая, когда нет отбойников и трубы добавлены с двух сторон, см. ГОСТ 15118 – 69. Значения h₁ приведены для теплообменников и холодильников.

Рис.79. Расположение входного штуцера и сегментных перегородок для двухходового кожухотрубчатого теплообменника.

Рис.80. Расположение входного штуцера и сегментных перегородок для одноходового кожухотрубчатого теплообменика.

5. Технологический расчет теплообменника.

   1. Прежде всего необходимо выяснить как изменяется по длине аппарата температура горячего потока и соответствующая ей температура холодного потока в пределах от дои отдосоответственно.

Подобная задача может быть решена только в том случае если известны все вышеназванные температуры, либо неизвестна одна из них.

Для прямотока:

Если неизвестна конечная температура холодного потока (), то интервал изменения температуры горячего потока отдоразбивают на некоторое число одинаковых (по температуре) зон (). Обычно, принимаютравным от 10 до 20. После этого, находят изменение температуры горячего потока по каждой зоне:

(548)

Затем, рассчитывают текущие значения температур горячего потока на границах соседних зон, начиная с :

(549)

Соответствующие температуры холодного потока рассчитывают по формуле:

(550)

где: и- массовые расходы горячего и холодного потока соответственно;

- удельная теплоёмкость горячего потока при постоянном давлении и средней температуре интервала ;

- удельная теплоёмкость холодного потока при постоянном давлении и средней температуре интервала .

Если неизвестна начальная температура холодного потока (), то соответствующие температуры рассчитываются по формуле:

(551)

Если неизвестна конечная температура горячего потока (), то интервал изменения температур холодного потока от () до () разбивается на некоторое число (одинаковых по температуре) зон (). Обычно принимают () равным от 10 до 20. После этого, находят изменение температуры по каждой зоне:

(552)

Затем, рассчитывают текущее значение температур холодного потока на границах соседних зон, начиная с :

(553)

Соответствующие температуры горячего потока рассчитываются по формуле:

(554)

Если неизвестна начальная температура горячего потока (), то соответствующие температуры рассчитываются по формуле:

(555)

Текущие значения температур холодного потока на границах соседних зон рассчитываются по формуле:

(556)

Для противотока:

Если неизвестна конечная температура холодного потока (), то текущие значения температур горячего потока на границах соседних зон рассчитываются по формуле:

(557)

Соответствующие температуры холодного потока:

(558)

Если неизвестна начальная температура холодного потока (),то текущее значение температур горячего потока на границах соседних зон рассчитывают по формуле:

(559)

Соответствующие температуры холодного потока :

(560)

Если неизвестна конечная температура горячего потока () , то текущее значение температур холодного потока на границах соседних зон рассчитывают по формуле:

(561)

Соответствующие температуры горячего потока:

(562)

Если неизвестна начальная температура горячего потока (), то соответствующие температуры горячего потока рассчитываются по формуле:

(563)

Значения удельных теплоёмкостей () и () в формулах (550, 551, 554, 555, 560, 562 и 563) берутся при средних температурах соответствующих зон, вычисляемых по формулам:

(564)

(565)

Если одним из потоков является пресная вода, то соответствующие значения удельной теплоёмкости берутся из табл.12.

Табл.12.

Физические свойства пресной воды

Давление (Р), МПа	Температура (Т или t), 0С	Плотность (), кг/м3	Удельная теплоёмкость (ср), КДж/кг.К	Теплопроводность (), Вт/м.К	Кинематическая вязкость (), м2/с
0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,100 0,103 0,146 0,202 0,275 0,368 0,485 0,630 0,808 1,023	0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180	1000 1000 998 996 992 988 983 978 972 965 958 951 943 935 926 917 907 897 887	4,23 4,19 4,19 4,18 4,18 4,18 4,18 4,19 4,19 4,19 4,23 4,23 4,23 4,27 4,27 4,32 4,36 4,40 4,44	0,551 0,575 0,539 0,618 0,634 0,648 0,658 0,668 0,675 0,680 0,683 0,655 0,686 0,686 0,685 0,684 0,683 0,679 0,675	0,000001790 0,000001310 0,000001010 0,000000810 0,000000660 0,000000560 0,000000478 0,000000415 0,000000365 0,000000326 0,000000295 0,000000268 0,000000244 0,000000226 0,000000212 0,000000202 0,000000191 0,000000181 0,000000173

Если одним из потоков является минерализованная вода, то соответствующие значения удельной теплоёмкости берутся из табл.13 и 14.

Табл.13.

Физические свойства минерализованной воды NaCl типа

Конц. соли в раств., (С), % мас.	Плотн. () кг/м3	Динамическая вязкость () мПа.с					Удельная теплоёмкость (ср), кДж/кг.К			Теплопроводность (), Вт/м.К
		00С	-50С	-100С	-150С	-200С	00С	-100С	-200С	00С	-100С	-200С
0,1 1,5 2,9 4,3 5,6 7,0 8,3 9,6 11,0 12,3 13,6 14,9 16,2 17,5 18,8 20,0 21,2 22,4 23,1 23,9 24,9 26,1 26,3	1000 1010 1020 1030 1040 1050 1060 1070 1080 1090 1100 1110 1120 1130 1140 1150 1160 1170 1175 1180 1190 1200 1203	1,766 1,785 1,805 1,825 1,844 1,874 1,913 1,962 2,021 2,080 2,148 2,237 2,325 2,433 2,560 2,688 2,825 2,963 3,041 3,139 3,296 3,473 3,502	- - - - - - 2,305 2,374 2,443 2,521 2,609 2,717 2,835 2,972 3,120 3,277 3,443 3,640 3,747 3,855 4,071 - -	- - - - - - - - - - - 3,345 3,492 3,679 3,875 4,081 4,307 4,562 4,709 4,866 - - -	- - - - - - - - - - - - - - 4,777 5,013 5,278 5,582 5,749 5,935 - - -	- - - - - - - - - - - - - - - - - 6,867 7,044 - - - -	- 4,077 4,006 3,943 3,884 3,830 3,775 3,725 3,679 3,633 3,591 3,553 3,515 3,478 3,444 3,411 3,377 3,344 3,331 - - - 3,251	- - - - - - - - - - 3,582 3,541 3,503 3,469 3,432 3,398 3,365 3,335 3,323 - - - -	- - - - - - - - - - - - - - - - - 3,323 3,310 - - - -	0,582 0,578 0,580 0,573 0,571 0,569 0,566 0,564 0,561 0,558 0,556 0,554 0,551 0,549 0,547 0,544 0,542 0,541 0,540 0,539 0,536 0,554 0,534	- - - - - - - - - - - 0,519 0,516 0,514 0,512 0,509 0,507 0,506 0,505 0,504 - - -	- - - - - - - - - - - - - - - - - 0,477 0,476 - - - -

Табл.14.

Физические свойства минерализованной воды CaCl₂ типа

Конц. соли в раств., (С), % мас.	Плотн. () кг/м3	Динамическая вязкость () мПа.с				Удельная теплоёмкость (ср), кДж/кг.К			Теплопроводность (), Вт/м.К
		00С	-100С	-200С	-300С	00С	-100С	-200С	00С	-100С	-200С	-300С
0.1 5,9 11,5 16,8 17,8 18,9 19,9 20,9 21,9 22,8 23,8 24,7 25,7 26,6 27,5 28,4 29,4 29,9 30,3 31,2 32,1 33,0 33,9 34,7 35,6 36,4 37,3	1000 1050 1100 1150 1160 1170 1180 1190 1200 1210 1220 1230 1240 1250 1260 1270 1280 1286 1290 1300 1310 1320 1330 1340 1350 1360 1370	1,776 1,982 2,296 2,766 2,874 2,992 3,120 3,277 3,443 3,620 3,816 4,022 4,258 4,522 4,807 5,121 5,494 5,690 5,886 6,337 6,828 7,387 8,015 8,652 9,320 10,090 10,920	- - - 4,365 4,513 4,670 4,846 5,072 5,327 5,611 5,925 6,269 6,681 7,083 7,524 8,025 8,633 9,045 9,329 10,060 10,870 11,730 12,720 13,810 15,190 - -	- - - - - - - - 8,613 9,015 9,476 9,996 10,570 11,170 11,850 12,690 13,790 14,390 14,960 16,190 17,630 19,190 21,000 - - - -	- - - - - - - - - - - - 14,810 15,890 17,170 18,840 21,290 22,560 23,840 26,550 30,710 - - - - - -	- - 1,270 - - - 1,890 - - - - - - - - - - - - - - - - 5,100 - - -	- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -	0,582 0,568 0,552 0,535 0,530 0,526 0,521 0,516 0,512 0,507 0,502 0,498 0,493 0,489 0,484 0,479 0,475 0,472 0,470 0,465 0,461 0,457 0,452 0,448 0,443 0,440 0,435	- - - 0,504 0,500 0,497 0,493 0,490 0,486 0,484 0,480 0,477 0,473 0,470 0,464 0,463 0,459 0,457 0,456 0,452 0,449 0,444 0,441 0,438 0,433 - -	- - - - - - - - 0,465 0,463 0,459 0,457 0,455 0,452 0,449 0,446 0,444 0,443 0,442 0,438 0,436 0,434 0,431 - - - -	- - - - - - - - - - - - 0,437 0,436 0,435 0,434 0,433 0,431 0,430 0,429 0,428 - - - - - -

Дополнительные сведения о минерализованных водах приведены в табл.15 и 16.

Табл.15.

Динамическая вязкость водных растворов NaCl и CaCl₂ при положительных температурах

Вещество	Динамическая вязкость (), мПа.с
	100С	200С	300С	400С	500С	600С	800С	1000С	1200С
CaCl2 (25 % р-р) NaCl (10 % р-р)	3,36 1,99	2,74 1,56	2,25 1,24	1,85 1,03	1,55 0,87	- 0,74	- 0,57	- 0,46	- 0,38

Табл.16.

Теплопроводность водных растворов NaCl при положительных температурах

Вещество	Концентрация (с), % мас.	Температура (0С)	Теплопроводность (), Вт/м.К
NaCl	30	32	0,52

Если одним из потоков является перегретый водяной пар, то соответствующие значения удельной теплоёмкости берутся из табл. 17.

Табл.17.

Свойства перегретого водяного пара

Давление, МПа	Температура кипения, 0С	Средняя удельная теплоёмкость (ср), кДж/кг.К
		до 1000С	до 2000С	до 3000С	до 4000С	до 5000С
0,005 0,010 0,020 0,030 0,040 0,050 0,060 0,070 0,080 0,090 0,100 0,150 0,200 0,250 0,300 0,400 0,500 0,600 0,700 0,800 0,900 1,000 10,000	32,55 45,45 59,67 68,68 75,42 80,86 85,45 89,45 92,99 96,18 99,09 110,79 119,62 126,79 132,88 142,92 151,11 158,08 164,17 169,61 174,53 179,04 309,50	1,9060 1,9190 1,9831 1,9625 1,9734 2,0153 2,0320 2,0321 2,0900 2,0901 2,0905 - - - - - - - - - - - 2,0000	1,9148 1,9149 1,9232 1,9315 1,9399 1,9441 1,9567 1,9609 1,9693 1,9776 1,9860 2,0112 2,0237 2,0656 2,1033 2,1494 2,1788 2,2332 2,2877 2,3464 2,3841 2,4218 2,0500	1,9693 1,9734 1,9776 1,9777 1,9818 1,9860 1,9861 1,9902 1,9903 1,9944 1,9986 2,0070 2,0237 2,0321 2,0447 2,0614 2,1369 2,1201 2,1369 2,1662 2,1997 2,2250 2,1000	2,0363 2,0364 2,0364 2,0365 2,0366 2,0405 2,0447 2,0405 2,0447 2,0448 2,0449 2,0531 2,0531 2,0614 2,0698 2,0782 2,0866 2,0950 2,1117 2,1201 2,1285 2,1410 2,1300	2,1033 2,1033 2,1033 2,1033 2,1033 2,1033 2,1033 2,1075 2,1075 2,1075 2,1075 2,1117 2,1159 2,1201 2,1201 2,1243 2,1285 2,1369 2,1369 2,1452 2,1536 2,1578 2,1600

Если одним из потоков является теплоноситель или хладоагент, то соответствующие значения удельной теплоёмкости берутся из табл.18,19 и рис.81 – 83.

Табл. 18.

Свойства некоторых газов

Вещество	Мольная теплоёмкость (ср), кДж/кмоль.К (при Рабс.= 0,1 МПа)
	Температура, 0С
	0	100	300	600
N2, O2, CO, воздух Аммиак Водород Водяной пар CO2 и SO2 СН4 Н2S	29,0 35,3 29,1 35,0 38,6 35,7 34,3	29,3 37,9 29,3 35,5 41,1 39,7 35,8	30,0 43,2 29,7 36,7 45,7 47,8 38,8	31,0 50,1 30,4 39,3 54,3 59,8 43,3

Табл.19.

Свойства некоторых жидкостей

Вещество	Средняя удельная теплоёмкость (ср), кДж/кг.К
Аммиак Бензин Гексан Керосин Машинное масло	4,19 1,84 2,51 2,10 1,68

Если одним из потоков является насыщенный водяной пар, то соответствующие значения удельной теплоёмкости берутся из табл.20.

Табл.20.

Свойства насыщенного водяного пара

Давление (абсолютное), МПа	Температура, 0С	Плотность (), кг/м3	Удельная теплоёмкость (ср), кДж/кг.К	Удельная теплота парообразования (r), кДж/кг
0,0010 0,0015 0,0020 0,0025 0,0030 0,0040 0,0050 0,0060 0,0080 0,0100 0,0120 0,0150 0,0200 0,0300 0,0400 0,0500 0,0600 0,0700 0,0800 0,0900 0,1000 0,1200 0,1400 0,1600 0,1800 0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000 0,7000 0,8000 0,9000 1,0000 1,1000 1,2000 1,3000 1,4000 1,5000 1,6000 1,7000 1,8000 1,9000 2,0000 3,0000 4,0000 5,0000 6,0000 7,0000 8,0000 9,0000 10,0000 12,0000 14,0000 16,0000 18,0000 20,0000 22,5000	6,6 12,7 17,1 20,7 23,7 28,6 32,5 35,8 41,1 45,4 49,0 53,6 59,7 68,7 75,4 80,9 85,5 89,3 93,0 96,2 99,1 104,2 108,7 112,7 116,3 119,6 132,9 142,9 151,1 158,1 164,2 169,6 174,5 179,0 183,2 187,1 190,7 194,1 197,4 200,4 203,4 206,2 208,8 211,4 232,8 249,2 262,7 274,3 284,5 293,6 301,9 309,5 323,1 335,0 345,7 355,4 364,2 374,0	0,00760 0,01116 0,01465 0,01809 0,02149 0,02820 0,03481 0,04133 0,05420 0,06686 0,07937 0,09789 0,12830 0,18760 0,24560 0,30270 0,35900 0,41470 0,46990 0,52460 0,57900 0,68650 0,79310 0,89800 1,00300 1,10700 1,61800 2,12000 2,61400 3,10400 3,59100 4,07500 4,53600 5,03700 5,51600 5,99600 6,47400 6,95200 7,43100 7,90900 8,38900 8,86800 9,34900 9,83000 14,70000 19,73000 24,96000 30,41000 36,12000 42,13000 48,45000 55,11000 69,60000 85,91000 104,60000 128,00000 162,90000 322,60000	4,20 4,17 4,15 4,15 4,18 4,16 4,18 4,16 4,21 4,21 4,20 4,18 4,17 4,13 4,14 4,14 4,14 4,15 4,14 4,14 4,17 4,19 4,20 4,22 4,23 4,20 4,21 4,22 4,22 4,26 4,23 4,24 4,24 4,25 4,25 4,25 4,24 4,26 4,26 4,27 4,27 4,27 4,27 4,28 4,30 4,33 4,35 4,37 4,39 4,41 4,43 4,45 4,50 4,57 4,65 4,73 4,90 5,61	2478 2465 2455 2447 2440 2429 2420 2413 2400 2390 2382 2372 2358 2336 2320 2307 2296 2286 2278 2270 2264 2249 2237 2227 2217 2208 2171 2141 2117 2095 2075 2057 2040 2024 2009 1995 1984 1968 1956 1943 1931 1920 1909 1898 1800 1715 1637 1565 1497 1432 1369 1306 1183 1061 934 799 617 0

Рис.81. Номограмма для определения теплоёмкости жидкостей

1. Бромистый этил; 2. Четырёххлористый углерод; 3. Хлороформ; 4. Сероуглерод; 5. Иодистый этил; 6. Хлорбензол; 7. Серная кислота (100 %); 8. Дифенил; 9. о- и м-ксилол; 10. п-ксилол; 11. Хлористый этил; 12. Амилацетат; 13. Ацетон; 14. Анилин; 15. Октан; 16. Уксусная кислота (100 %); 17. Диэтиловый эфир; 18. Гептан; 19. Этилацетат; 20. Изо-пентан; 21. Глицерин; 22. Этиленгликоль; 23. Метиловый спирт; 24. Бутиловый спирт; 25. Пропиловый спирт; 26. Соляная кислота (30 %); 27. Изопропиловый спирт (от –50 до 0⁰С); 28. Толуол (от –60 до 40⁰С); 29. Бензол; 30. Толуол (от 40 до 100⁰С); 31. Этиловый спирт; 32. Изопропиловый спирт (от 0 до 50⁰С); 33. Изобутиловый спирт; 34. Хлористый кальций (25 %); 35. Хлористый натрий (25 %); 36. Вода.

Рис.82. Номограмма для определения теплоёмкости нефтепродуктов (паров и жидкостей).

Рис.83. График для определения теплоёмкости некоторых углеводородов в зависимости от

относительной плотности () – цифры на кривых- и температуры.

Если одним из потоков является нефть, то соответствующие значения удельной теплоёмкости рассчитываются по формуле:

(566)

где: - относительная плотность нефти:

(567)

Соответствующие значения плотности берутся при 15⁰ Фарангейта. В странах, перешедших на метрическую систему, пользуются относительной плотностью :

(568)

где: соответствующие значения плотности берутся при 20 и 4⁰С.

Соотношение между этими относительными плотностями описывается уравнением:

(569)

где: - температурная поправка, определяемая по табл.21.

Табл.21.

Температурная поправка для нефтей.

нефти		нефти
0,7000 – 0,7099 0,7100 – 0,7199 0,7200 – 0,7299 0,7300 – 0,7399 0,7400 – 0,7499 0,7500 – 0,7599 0,7600 – 0,7699 0,7700 – 0,7799 0,7800 – 0,7899 0,7900 – 0,7999 0,8000 – 0,8099 0,8100 – 0,8199 0,8200 – 0,8299 0,8300 – 0,8399 0,8400 – 0,8499	0,000897 0,000884 0,000870 0,000857 0,000844 0,000831 0,000818 0,000805 0,000792 0,000772 0,000765 0,000752 0,000738 0,000725 0,000712	0,8500 – 0,8599 0,8600 – 0,8699 0,8700 – 0,8799 0,8800 – 0,8899 0,8900 – 0,8999 0,9000 – 0,9099 0,9100 – 0,9199 0,9200 – 0,9299 0,9300 – 0,9399 0,9400 – 0,9499 0,9500 – 0,9599 0,9600 – 0,9699 0,9700 – 0,9799 0,9800 – 0,9899 0,9900 – 1,0000	0,000699 0,000686 0,000673 0,000660 0,000647 0,000633 0,000620 0,000607 0,000594 0,000581 0,000567 0,000554 0,000541 0,000522 0,000515

Итак, рассмотренный выше материал позволяет определить характер изменения по длине теплообменного аппарата температуры горячего и холодного потока при организации прямотока или противотока.

Разумеется, подобный подход справедлив только в том случае, если температура горячего потока не опускается до температуры конденсации, а температура холодного потока не поднимается до температуры испарения.

В противном случае, поступают следующим образом:

Если температура конденсации горячего потока (Т_r) > Т_к , то то интервал изменения температуры горячего потока от Т_н до Т_к разбивают на три участка: от Т_н до ; отдои отдоТ_к. Соответствующие температуры холодного потока на 1 и 3 участке рассчитывают обычным (рассмотренным выше) способом, а конечную температуру холодного потока, соответствующую окончанию участка -определяют по формуле:

(570)

при:

(571)

где: - удельная скрытая теплота конденсации.

Если температура испарения холодного потока () < (), то интервал изменения температуры холодного потока от до разбивают на 3 участка: от до; отдои отдо . Соответствующие температуры горячего потока на 1 и 3 участке рассчитывают обычным (рассмотренным выше) способом, а конечную температуру горячего потока, соответствующую окончанию участка -определяют по формуле:

(572)

при:

= (573)

где: - удельная скрытая теплота парообразования.

Причём, для одного и того же вещества:

= (574)

Если одним из потоков является водяной пар или пресная вода, то значения (r) берутся из табл.20.

Если одним из потоков является газ, то значения (r) берутся из табл.22.

Табл.22.

Основные физические свойства некоторых газов

Вещество	Плотность (), кг/м3 (н.у.)	Температура кипения (t) 0С (при Р=0,1 МПа)	Удельная теплота испарения (конденсации) (r ) кДж/кг (при Р=0,1 МПа)	Вязкость (), мПа.с (н.у.)
Азот Аммиак Бензол Бутан Воздух Водород Гелий Диоксид серы Углекислый газ Кислород Метан Угарный газ Пентан Пропан Сероводород Этан	1,25 0,77 - 2,673 1,293 0,0899 0,179 2,93 1,98 1,429 0,72 1,25 - 2,02 1,54 1,36	-195,8 -33,4 80,2 -0,5 -195 -252,8 -268,9 -10,8 -78,2 -183 -161,6 -191,5 36,1 -42,1 -60,2 -88,5	199,4 1374 394 387 197 455 19,5 394 574 213 511 212 360 427 549 486	0,017 0,00918 0,0072 0,0081 0,0173 0,00842 0,0188 0,0117 0,0137 0,0203 0,0103 0,0166 0,00874 0,00795 0,01166 0,0085

Зависимость теплоты парообразования от температуры для некоторых веществ приведена в табл. 23.

Табл.23.

Удельная теплота парообразования некоторых веществ (кДж/кг)

Вещество	Температура, 0С
	0	20	60	100	140
Аммиак Бензол Вода Углекислый газ Метанол Толуол Хладон – 12 (Фреон –12)	12,65,4 448,3 2493,1 235,1 1198,3 414,8 155	1190,0 435,8 2446,9 155,4 1173,2 407,7 144,9	- 408,5 2359,0 - 1110,4 388,8 132,4	- 379,2 2258,4 - 1013,9 368,7 -	- 346,1 2149,5 - 892,6 344 -

Физические свойства таких распространенных хладоагентов как аммиак и фреон-12 приведены в табл.24 и 25.

Табл.24.

Физические свойства насыщенного пара аммиака

Температура, 0С	Давление абсолютное (Рабс), МПа	Плотность		Удельная теплота испарения (r), кДж/кг
		Жидкости, кг/м3	Пара, кг/м3
-50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50	0,04168 0,05562 0,07318 0,09503 0,12190 0,15460 0,19400 0,24100 0,29660 0,36190 0,43790 0,52590 0,62710 0,74310 0,87410 1,02250 1,18950 1,37650 1,58500 1,81650 2,07270	702,0 696,0 690,0 683,9 677,7 671,4 665,0 658,5 652,0 645,3 638,6 631,7 624,7 617,5 610,3 602,8 595,2 587,5 579,5 571,3 562,9	0,382 0,500 0,645 0,823 1,038 1,297 1,604 1,966 2,390 2,883 3,452 4,108 4,859 5,718 6,694 7,795 9,034 10,431 12,005 12,774 15,756	1416 1402 1388 1374 1360 1345 1329 1314 1297 1281 1263 1246 1227 1210 1188 1168 1146 1124 1101 1078 1053

Табл.25.

Физические свойства дифтордихлорметана (фреон –10).

Температура, 0С	Давление абсолютное (Рабс), МПа	Плотность		Удельная теплота испарения (r), кДж/кг
		Жидкости, кг/м3	Пара, кг/м3
40 30 25 20 10 0 -10 -15 -20 -25 -30 -35 -40 -50 -60 -70 -80	0,978 0,759 0,663 0,579 0,432 0,315 0,224 0,186 0,154 0,126 0,103 0,0824 0,0655 0,0399 0,0231 0,0125 0,0063	1250 1290 1310 1330 1360 1390 1430 1440 1460 1470 1490 1500 1520 1540 1570 1600 1630	53,1 41,2 36,1 31,5 23,8 17,7 12,8 10,8 9,04 7,52 6,20 5,07 4,10 2,60 1,56 0,89 0,47	132,4 138,7 142,0 145,0 150,0 155,0 160,0 161,7 163,8 165,5 167,6 169,3 171,0 175,0 178,0 182,0 185,0

Если одним из потоков является минерализованная вода, то используют рис.84.

Рис. 84. Повышение температуры кипения водных растворов при атмосферном давлении в зависимости от

концентрации

Если одним из потоков является нефть, то используют рис.85 и 86.

Рис. 85. График для определения теплоты испарения углеводородов.

Причём, молекулярную массу отсепарированной нефти, приравниваемой к определённому углеводороду, и взятой при средней температуре зоны, можно найти по формуле:

(575)

где: - плотность нефти при средней температуре зоны:

(576)

- динамическая вязкость нефти при средней температуре зоны, которую можно определить по одной из следующих формул:

Рис. 86. Номограмма для определения давления насыщенных паров углеводородов и воды при различных

температурах

(577)

где: - любая температура при которой известна динамическая вязкость.

Формула (577) справедлива, если > 1000 мПа^.с

(578)

Формула (578) справедлива, если < 10 мПа^.с

(579)

Формула (579) справедлива, если: 10 1000 мПа^.с

Молекулярную массу газонасыщенной нефти можно найти по формуле:

(580)

где: - молекулярная масса соответствующих веществ (определяется по периодической таблице);

- молекулярная масса так называемого остатка;

- мольная доля соответствующих компонентов.

(581)

5.2. После того, как распределение температур горячего и холодного потока по длине аппарата выяснено приступают к определению среднего температурного напора – движущей силы любого теплообмена - для каждой отдельной зоны каждого участка.

При прямотоке или противотоке средний температурный напор определяют по уравнению:

(582)

где: и- большая и меньшая разность температур горячего и холодного потока на границах каждого участка.

Если:

/ 2 (583)

то:

(584)

Для смешанного и перекрёстного тока возможно три подхода.

Первый подход (для смешанного тока):

Если:

а) в межтрубном пространстве теплоноситель делает один ход, а в трубном два;

б) в межтрубном пространстве два хода, а в трубном четыре;

в) в межтрубном пространстве один ход, а в трубном четыре и т.д.

то средний температурный напор вычисляется по уравнениям (582) или (584), сразу для всего аппарата без разбивки на зоны, с той лишь разницей, что величины инаходят по специальным формулам Н.И. Белоконя:

(585)

(586)

где: - так называемая характеристическая разность температур, определяемая по формуле:

(587)

где:

(588)

• разность начальной и конечной температуры горячего потока;

(589)

• разность конечной и начальной температуры холодного потока.

- средняя арифметическая разность температур горячего и холодного потока:

(590)

- индекс противоточности, определяющий долю противоточной части поверхности теплообмена; определяется по справочной литературе, для каждой конкретной конструкции аппарата.

В частности, для случая: а) = 0,5

б) = 0,9

в) = 0,45 и т.п.

Второй подход (для смешанного и перекрестного токов)

(591)

где: - вычисляется по формуле (582) для противотока, а коэффициентзависит от схемы движения теплоносителя и определяется по справочным графикам, см. например рис.87.

На рис.87. а – это аппарат с одним ходом в межтрубном пространстве и 2, 4, 6 и более ходами в трубном пространстве;

б – это аппарат с двумя ходами в межтрубном пространстве с поперечными перегородками и четырьмя ходами в трубном пространстве.

(592)

(593)

где: t и Т – температуры соответствующих потоков на границах смены режимов.

Рис.87. Поправочные коэффициентыдля смешанного потока в многоходовых теплообменниках