3. Коэффициент теплопередачи

Для определения необходимой поверхности нагрева теплообменника необходимо знать средний коэффициент теплопередачи К. Определение К является центральным пунктом теплового расчета.

Чаще всего передача тепла в рекуперативных теплообменниках осуществляется через цилиндрическую поверхность. Однако, если применяются тонкостенные металлические трубы, то с некоторой ошибкой коэффициент теплопередачи можно определить по формуле для плоской стенки:

(10)

где К₀, Вт/(м² ºС) - средний коэффициент теплопередачи для незагрязненной поверхности нагрева;

α₁, Вт/(м² ºС) - средний коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя к стенке;

δ_ст, м - толщина станки поверхности теплообмена;

λ _ст, Вт/(м² ºС) – средний коэффициент теплопроводности материала стенки;

α₂, Вт/(м² ºС) - средний коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому теплоносителю.

Чтобы уменьшить влияние ошибки, в уравнении (2) следует принимать в качестве F поверхность стенки о той стороны, где коэффициент теплоотдачи меньше.

а) влияние загрязнения

В процессе эксплуатации поверхность теплообмена загрязня­ется выделениями теплоносителей. При использовании воды в ка­честве теплоносителя на трубках образуется слой накипи. Тол­щина и теплопроводность слоя зависят от состава воды и меняет­ся от теплообменника к теплообменнику. На практике принято учи­тывать термическое сопротивление слоя загрязнения с обеих сто­рон поверхности с помощью коэффициента использования поверхнос­ти теплообмена:

К=φ К₀ (11)

Величина φ определяется в результате производственных испытаний промышленных теплообменников, для водоподогревателей φ 0,6 – 0,85.

б) Определение коэффициента теплоотдачи

При течении жидкости в гладких трубках и при продольном омывании пучка труб в случае развитого турбулентного движения (Re_ж>10⁴) для определения среднего коэффициента теп­лоотдачи пользуются формулой

(12)

здесь , , ,

λ_ж, ν_ж, а_ж - теплопроводность, кинематическая вязкость; коэффициент температуропроводности жидкости, соответственно,

w, d_э - скорость теплоносителя и эквивалентный диаметр для прохода теплоносителя,

Еl - коэффициент, при L/d_э >50 Еl= 1 L - длина трубы).

Величины с индексом "ж" относятся к средной температуре жидкости:

(13)

выбирается по температуре стенки. Температура стенки становится известной только после определения коэффициента теп­лопередачи:

, , (14)

Поэтому в первом приближении принимают

, (15)

Определив К, сравнивают между собой величин, рассчитанные по формулам (14) и (15). При большом расхождении задаются но­выми значениями и определяются α₁, α₂, λ_ст/δ_ст и К во втором приближении.

Теплопроводность стенки λ_ст выбирается при средней тем­пературе стенки:

(16)

в) выбор скорости теплоносителя, эквивалентный диаметр

Из формулы (12) следует, что коэффициент теплоотдачи про­порционален W^0,8 для воды принимают при движении в трубах и каналах среднюю скорость W=0,5 – 2,5м/с, что обеспечивает достаточно высокие значения коэффициента теплоотдачи к не приводит к чрезмерным гидравлическим сопротивлениям.

Средняя скорость из уравнения неразрывности есть:

(17)

где G, кг/с - массовый расход теплоносителя;

ρ, кг/м³ - плотность теплоносителя;

f, м² - сечение канала, по которому движется теплоноситель.

Эквивалентный диаметр, используемый в уравнении (12) вычис­ляется по формуле:

(18)

где U, м - полный смоченный периметр сечения.

При течении теплоносителя в цилиндрической трубе из (18) следует, что - внутреннему диаметру трубы.