Общее положение теплового расчёта рекуперативных теплообменных аппаратов. Особености теплового расчёта аппаратов с однофазными теплоносителями, с конденсацией и ребристых

Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов по виду, устройству, принципу действия и рабочим телам, назначение их одно и то же: это передача теплоты от одной горячей жидкости к другой - холодной. Поэтому и основы расчета для них остаются общими. При расчете теплообменников могут встретиться следующие задачи:

1.определение поверхности нагрева F, обеспечивающей передачу заданного количества тепла Q от горячего к холодному (конструктивный расчет);

2. определение количества тепла Q, которое может быть передано от горячего теплоносителя к холодному при известной поверхности F (поверочный расчет);

З. определение конечных температур теплоносителей при известных значениях F и Q (поверочный расчет).

Основными расчетными уравнениями для решения поставленных задач являются уравнения теплопередачи: Q⁼k_ср – F_ср – Δt_ср = k_ср – F_ср(t₁ -t₂), где k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м² ∙К); Δt_ср -средний температурный напор, °С;

Уравнение теплового баланса: Q₁= Q₂+ΔQ.

Количество теплоты, отданное горячим теплоносителем: Q₁ = M₁∙C_p1∙ ( );

Количество тепла, воспринятое холодным теплоносителем:Q₂=М₂∙С_р2( ), где

t₂- температура холодного теплоносителя, ⁰С; t₁- температура горячего теплоносителя, ⁰С;

ΔQ-потери теплоты в окружающую среду, Вт,

С_р1, С_р2 - удельные массовые средние изобарные теплоёмкости теплоносителей, Дж/(кг∙K);

- начальная и конечная температура горячего теплоносителя;

-начальная и конечная температура холодного теплоносителя;

В тепловых расчётах важное значение имеет понятие, так называемого водяного эквивалента теплоносителя W, который представляет собой полную теплоёмкость массового расхода теплоносителя, т.е W= M∙C_р= ρ∙ω∙f∙C_р ,Вт/кг, где М-массовый расход теплоносителя, кг/с; ω -скорость теплоносителя, м/с; ρ-плотность теплоносителя, кг/м³, f-площадь сечения канала, м²; Смысл этого понятия состоит в том, что его числовая величина определяет как бы количество воды, равноценное по теплоёмкости расходу рассматриваемого теплоносителя в единицу времени.

Для чистого т/о аппарата коэффициент теплопередачи плоской стенки, Вт/м²∙К k=

Для чистого т/о аппарата коэффициент теплопередачи цилиндрической стенки, Вт/м²∙К

k=

где α -коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м²∙ К); δ-толщина стенки, м;

Латунь: λ=105-245Вт/(м∙К); сталь Х18 λ=15,9-16,9 Вт/(м-К);Сталь 20 λ=50 Вт/(м-К); титановые сплавы λ=13Вт/(м∙К);

Для загрязнённого конденсатора: k= где

α₁ – коэф. теплоотдачи со стороны горячей среды, Вт/(м²∙К); α₂ – коэф. теплоотдачи со стороны холодной среды, Вт/(м²∙К);

δ_гр, δ_гр2, δ_ст – толщина слоя грязи с двух сторон стенки, толщина самой стенки, м;

λ_гр, λ_гр2, λ_ст – теплопроводность грязи с двух сторон стенки, теплопроводность материала стенки, Вт/(м∙К).

λ_гр = 1,5-2,0 Вт/(м∙К); α_1,2 =f(Re;Pr;Gr;K)

Число Грасгофа – интенсивность свободной конвекции; число Прандля- влияние рода жидкости.

При течении вдоль труб или внутри трубы при продольном протекании

ламинарный режим: Re<2320 Nu_f = 0,15∙Re

турбулентный: Re >1∙10⁴ Nu_f = 0,021∙Re

переходный: 2320 <Re <1∙10⁴ Nu_f = К₀ , где К₀ – коэффициент берётся из таблиц в зависимости от числа Re;

0 0 0 0 0

0 0 0 0

0 0 0 0 0

шахматное коридорное

При поперечном обтекании:

коридорные пучки: при Re_f <1000 Nu_f = 0,56∙Re при Re_f >1000 Nu_f = 0,22 ∙Re

шахматные пучки: при Re_f <1000 Nu_f = 0,56∙Re при Re_f >1000 Nu_f = 0,4 ∙Re

При поперечном обтекании с точки зрения получения максимального температурного напора имеет преимущество-противоток. Поперечное обтекание более эффективней, чем продольное.

Для пластинчатого т/о: Nu_f = А ∙ Re А зависит от типа пластин d_экв =0,008 для 0,3 м²;

N_н = ; Если считать, что движение плёнки ламинарное: q = Δt_пл=t_н-t ;

Различают процессы конденсации неподвижного и двигающегося пара, насыщенного и перегретого пара, чистого и смеси паров, смачивается или не смачивается. На поверхности несмачиваемой жидкость охлаждается в виде капель (капельная конденсация), на смачиваемой поверхности конденсат образует сплошную плёнку.

Нуссельт нашёл первым толщину плёнки при ряде допущений, сечение плёнки ламинарное

для горизонтальной трубы: Вт/(м²∙К), где D – диаметр трубы, м;

для вертикальной трубы: Вт/(м²∙К), где где

ρ'-плотность конденсата при t_н; ρ"-плотность пара; r-теплота парообразования (конденсации) кДж/кг;

ν-коэффициент кинематической вязкости конденсата, м²/с; g-ускорение свободного падения;

λ- коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м∙К); λ,ν,ρ -выбираются по средней температуре плёнки; t_пл= ;

При конденсации перегретого пара вместо r подставляют: r_п =r+G_A∙(t_n-t_н). Экспериментальные исследования показали, что в процессе течения плёнки по поверхности сопровождается волнообразованием и коэффициентом теплоотдачи примерно на 21% выше, чем по формуле Нуссельта. Поэтому формула для коэффициента теплоотдачи от пара к стенке определяется по формуле:

, где В=5700 + 56 ∙ t_н – 0,09 ∙ t

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося пара к вертикальным трубам можно определить от числа Григулля:

Z=H(t_п- t_w)∙A

При Z<2300 Вт/(м² ∙К); При Z>2300 Вт/(м² ∙К), где

Re_н = А₃, А₄ – температурные множители (табличные); Н – расчётная высота трубок, м.

t_н и t_w – температура конденсата (равная температуре насыщения пара и температуре стенки), ⁰С;

Для горизонтальных труб при ламинарном движении формула Лабунцова: Вт/(м² ∙К), где

m -приведённое число трубок; m = , N-общее количество трубок в вертикальном ряду.

Всё приведенное выше - формулы для неподвижного пара. Конденсация движущегося пара происходит с большей интенсивностью, поэтому вносят поправку на скорость пара.

где П- одна из поправок. П= где

μ_к - коэффициент динамической вязкости;

W_п-средняя скорость пара в межтрубном пространстве;

Все процессы лучше изучать экспериментально.

Для конденсатора паровых турбин: α_п = α₀ ∙ Ф₁ ∙ Ф_w ∙ Ф_Е ∙ Ф_f ∙ Ф_k, где Ф_i-факторы, учитывающие соответственно натекание конденсата на трубный пучок, скорость пара, параметры вибрации трубок, компоновку трубного пучка.

№27