Физические свойства теплоносителей

Свойства	Обозначения	Ед. измерения	Теплоносители
			горячий		холодный
			величина	лит. ист	величина	лит. ист
1	2	3	4	5	6	7
Плотность		кг/м3
Теплоемкость	с	Дж/(кг·К)
Теплопроводность		Вт/(м·К)
Вязкость		Н·с/м2
Теплота конденсации	r	Дж/кг

6.1.6. Определить тепловую нагрузку аппарата

Это лучше делать по тому теплоносителю, который имеет меньше потерь в окружающую среду. Для кожухотрубчатых теплообменников таким теплоносителем будет теплоноситель, направляемый в трубное пространство. При направлении в трубное пространство горячего теплоносителя

Q = Q_гор = Q_хол + Q_пот

При направлении в трубное пространство холодного теплоносителя

Q = Q_хол = Q_гор - Q_пот

где

Q_гор = G_гор с_гор (t_н.гор – t_к.гор)

Q_хол = G_хол с_хол (t_н.хол – t_к.хол)

В случае определения тепловой нагрузки по конденсирующему пару используют уравнение

Q = Q_п = G_п r

Величину теплоты конденсации r взять из таблицы [2, 548].

6.1.7. Определить расход другого теплоносителя, используя формулы

или

G_п = Q / r

6.1.8. Задаться ориентировочным значением коэффициента теплопередачи (К), руководствуясь данными таблицы 4.8 [2, с.172] и определить поверхность теплообмена F

6.1.9. Определить удельную тепловую нагрузку аппарата q

q = Q / F

6.1.10. По величине поверхности теплообмена, произвести выбор теплообменников по каталогам [6, c.51 – 66]. Выписать в таблицу 6.2. из каталога все теплообменники с поверхностью теплообмена, близкой к расчетной, и определить скорости движения теплоносителей в трубном и межтрубном пространствах. Поскольку в п. 6.1.8 принимают среднее значение К, то и из каталога нужно выбирать теплообменники в середине ряда, т.е. с длиной труб 2000-4000 мм, это избавит от повторных расчетов.

Таблица 6.2

№ п/п	z	F	l	Д	t	n				Примеч.
	Число ход.	м2	м	м	м	шт.	м/с	м/с	м/с
1
2
…
n

6.1.11. Скорость теплоносителя в трубном пространстве определяют по формуле

6.1.12. Скорость теплоносителя в межтрубном пространстве без перегородок определяют по формуле

Если теплообменник с перегородками, то скорость теплоносителя в межтрубном пространстве определяют по формуле

где

Число перегородок рекомендуется в [6, c.56] и зависит от диаметра кожуха и длины труб теплообменника. Рассчитав скорости движения теплоносителей в трубном пространстве, выбирают теплообменник, у которого скорость движения в трубном пространстве соответствует рекомендуемым скоростям [2, c.17], обеспечивающим турбулентный режим движения.

При проведении предварительного расчета выбор теплообменников по каталогу можно производить и другим путем, т.е. подбирать теплообменник не по рекомендуемым скоростям теплоносителей, а задаваясь числом Рейнольдса, обеспечивающим турбулентное движение теплоносителей. В таком случае принимают число Рейнольдса равным 15000…30000 и вычисляют число труб в одном ряду

По рассчитанному числу труб выписывают теплообменники по каталогу с числом труб, близким к расчетному. Задаваясь коэффициентом теплопередачи К, рассчитывают поверхность теплообмена и выбирают тот теплообменник, у которого число труб близко к данным каталога и рассчитанная поверхность F_p близка к поверхности теплообменника из каталога F_к [2, c.215]. По такому методу в пунктах 6.2 и 6.3 проведен тепловой расчет теплообменных аппаратов (подогревателя и конденсатора), а в пунктах 6.4, 6.5 и 6.6 – примеры расчета.

Методика проведения уточненного теплового расчета зависит от агрегатного состояния теплоносителей (теплоноситель, не изменяющий агрегатного состояния – жидкость, газ; теплоноситель, изменяющий агрегатное состояние – пар).

Уточненный тепловой расчет в случае применения теплоносителей, не изменяющих агрегатное состояние в процессе теплообмена (жидкости, газы)

6.1.13. Выполнить пункты 6.1.1 – 6.1.12 предварительного расчета.

6.1.14. Задаться температурой стенки со стороны холодного t_ст.хол и со стороны горячего t_ст.гор теплоносителей, имея в виду, что обе эти температуры будут ближе к температуре горячего теплоносителя.

Определить физические свойства жидкости при данных температурах, и данные занести в таблицу, подобную таблице 6.1. Данные этой таблицы используют только для нахождения Рr_ст1 и Рr_ст2, остальные величины определяют при средних температурах теплоносителя (в случае газообразных теплоносителей температура стенок в расчете не используется и температуры стенки со стороны газа не задаются [2, c.152] ).

6.1.15. Определить коэффициент теплоотдачи трубного пространства ₁:

[2, c.150]

а) вычислить критерий Рейнольдса для теплоносителя, протекающего в трубном пространстве Re₁

б) в зависимости от величины критерия Рейнольдса определить значение критерия Нуссельта по формулам:

при Re₁  10000 Nu₁ = 0,021 _l Re₁^0,8Pr₁^0,43(Pr₁/Pr_ст1)^0,25;

при 2300 < Re₁ < 10000 Nu = 0,008 Re^0,9Pr^0,43 [11, с.22]

или по графику [2, c.154];

при 10 < Re₁ < 2300,

при L/d>10 Nu=1,4Re(d/L))^0,4Pr^0,33(Pr/Pr_ст)^0,25;

[12, с.289]

Значение поправочного коэффициента _l, учитывающего влияние отношения длины трубы l к ее диаметру, при l/d50, равно 1.

При 1/d<50 _l находится по таблице 4.3 [2, c.153].

Отношение Pr₁/Pr_ст1 – характеризует направление движения теплового потока (от теплоносителя к стенке или от стенки к теплоносителю).

Критерии Прандтля, характеризующие физические свойства потока, Rr₁ и Pr_ст1 вычисляются по формулам

Pr₁ = c₁ ^. ₁ /₁

соответственно для средней температуры теплоносителя и температуры пленки жидкости около стенки, равной температуре стенки со стороны теплоносителя,

Pr_ст = c_ст ^. _ст /_ст ,

где c_ст , _ст , _ст – физические свойства теплоносителей при температуре стенки.

Для газов при невысоких давлениях Pr является величиной приблизительно постоянной, не зависящей от температуры и давления. Следовательно, для газа (Pr₁/ Pr_ст1)^0,25  1.

Приблизительные значения Pr составляют:

для одноатомных газов – 0,67;

для двухатомных газов - 0,72;

для трехатомных газов – 0,80;

для четырех и многоатомных газов – 1,00.

₁ = Nu₁ (₁/d_э);

где d_э = d – наружный диаметр труб.

Это соотношение справедливо для труб круглого сечения.

6.1.16. Определить коэффициент теплоотдачи межтрубного пространства ₂ [2, c.156]:

а) при вынужденном продольном движении теплоносителя вдоль труб (без перегородок):

­ вычислить критерий Рейнольдса

где

- в зависимости от величины критерия Рейнольдса определить критерий Нуссельта по формулам приведенным в п. 6.1.15, подставляя в них значения величин, характеризующих теплоноситель в межтрубном пространстве;

- вычислить коэффициент теплоотдачи межтрубного пространства

₂ = Nu₂ (₂/d_э);

б) при вынужденном поперечном обтекании потоком пучка гладких труб (с перегородками в межтрубном пространстве):

- вычислить критерий Рейнольдса по формуле, приведенной в п. 6.1.16 а, приняв за d_э наружный диаметр трубы

d_э = d

- в зависимости от расположения труб в пучке определить критерий Нуссельта.

При поперечном обтекании пучка гладких труб для коридорных и шахматных пучков при Re < 1000

Nu₂ = 0,56Re₂^0,5Pr₂^0,36(Pr₂/Pr_ст)^0,25_

при Re > 1000

для коридорных пучков:

Nu₂ = 0,22Re₂^0,65Pr₂^0,36(Pr₂/Pr_ст)^0,25_

для шахматного пучка труб:

Nu₂ = 0,4Re₂^0,6Pr₂^0,36(Pr₂/Pr_ст)^0,25_

Критерии Прандтля Pr₂ и Pr_ст2 вычисляют по формулам и правилам, изложенным в п. 6.1.15, с подставлением величин, соответствующих теплоносителю межтрубного пространства.

Для газов формулы упрощаются, так как Pr₂/ Pr_ст2 = 1.

Так, для воздуха при коридорном пучке труб

Nu₂ = 0,21 _ Re₂^0,65

При шахматном расположении труб при Re > 1000

Nu₂ = 0,356 Re^0,6 _

Величину коэффициента _ , учитывающего влияние угла атаки, находят из таблицы [2, c.157]. Для приближенного расчета коэффициент _ часто принимают равным 0,6;

- вычислить коэффициент теплоотдачи ₂ по формуле, приведенной в п. 6.1.16 а, приняв за d_э наружный диаметр трубы d, подставив величины, соответствующие межтрубному пространству.

6.1.17. Определить коэффициент теплопередачи по формуле

где  - толщина слоя стенки трубы;

_ст - коэффициент теплопроводности материала стенки трубы [Вт/(м·К)] находят по таблицам [2, c.529].

Тепловые сопротивления загрязнений r_загр1 и r_загр2 оцениваются приблизительно по таблицам [2, c.531],

6.1.18. Определить поверхность теплообмена, подставив в формулу (см.п.6.1.8.) вычисленное значение К.

6.1.19. Вычислить температуру стенки со стороны горячего и холодного теплоносителя

Если вычисленная температура стенки отличается от принятой в начале расчета (см. п.6.1.14.) более чем на 1^оС, то необходимо вновь задаться температурами стенки, приняв за t_ст.гор. и t_ст.хол. полученные в п.6.1.19 величины и повторить расчет.

Повторные расчеты выполняют до тех пор, пока не получат заданного совпадения между принятыми и полученными в результате расчетов величинами.

6.1.20. Вычислить среднюю температуру стенки, через которую происходит теплопередача

и определить разность температур t_т между средней температурой стенки теплообменных труб t_ст.ср. и стенками корпуса (за температуру стенок корпуса обычно принимают среднюю температуру теплоносителя межтрубного пространства). В зависимости от величины t_т принять решение о типе выбираемого или проектируемого теплообменника. Теплообменники жесткой конструкции типа «ТН» применимы, если

t_т=(t_ст.ср.– t_к) < 50.

6.1.21. Если поверхность теплообменника, полученная в результате уточненного расчета, будет меньше поверхности теплообмена, полученной в предварительном расчете, или превысит ее более чем на 15-20%, то выбирают по каталогам другой аппарат (но того же диаметра корпуса и труб), варьируя длиной l. Нельзя брать теплообменники с другими Д и n.

При проектировании теплообменника в этом случае необходимо пересчитать длину труб:

Если в данном ряду нет другого теплообменника с требуемой поверхностью теплообмена, то необходимо задаться в предварительном расчете полученным коэффициентом теплопередачи К и повторить расчет, предварительно выбрав теплообменник из другого ряда с поверхностью F, близкой к расчетной.

Особенности теплового расчета теплообменника при пленочной конденсации насыщенного пара

Выполнить пункты 6.1.1. – 6.1.14 предварительного и уточненного расчета (см.выше).

6.1.15. Определить коэффициент теплоотдачи при конденсации пара в межтрубном пространстве [2, c.160-164]:

- выписать из справочной литературы физические свойства пленки конденсата и занести их в таблицу [2, c.537]

Обозначения	ж	ж	ж
Размерность	кг/м3	Нс/м2	Вт/мК
tпл

Величины _ж , _ж и _ж берутся при средней температуре пленки конденсата

где t_конд – температура конденсации, ее находят по таблице [2, c.548].

Температурой стенки со стороны конденсирующегося пара t_ст.гор первоначально задаются (см. п. 6.1.14), а затем проверяют правильность принятого значения по формулам, приведенным в п. 6.1.19;

- определить коэффициент теплоотдачи конденсата, используя соответствующую схему расчета, в зависимости от расположения аппарата:

Вертикальное расположение

- вычислить критерий Рейнольдса для пленки конденсата

Re_пл =

а) при скорости пара ω_п  10 м/с и ламинарном режиме течения пленки конденсата Re_пл  100, коэффициент теплоотдачи ₂ рассчитывается по формуле

где t= t_s - t_ст – разность температур конденсации (насыщения) и поверхности стенки, соприкасающейся с конденсирующимся паром.

Коэффициент А рассчитывается по формуле

б) при скоростях движения пара ω_п  10 м/с и величине критерия Рейнольдса Re_пл > 100 определить критерий Прандтля для конденсата:

Если критерий Прандтля конденсата равен Pr_ж = 0, 6 - 5,0 , т.е. имеет место смешанное течение пленки конденсата (вверху ламинарное, внизу турбулентное), то

в) при ω_п > 10 м/с коэффициент теплоотдачи определяется по формуле

_{2 дв}= _дв ₂

Для ламинарного движения пленки конденсата Re_пл  100 поправочный множитель _дв находят по таблице (приложение 12), предварительно вычислив величину:

где g = 9,81 м/с²;

г) для турбулентного движения пленки конденсата Re_пл  100;