3. Определение коэффициента теплоотдачи

Как известно коэффициент теплообмена  можно определить из критериального уравнения:

Nu= С·Re^m·Prⁿ·Gr^k (Р_rж / Р_rc) ^0,25 , (7)

где , число Нуссельта, определяет интенсивность теплообмена;

, число Рейнольдса, характеризует режим движения теплоносителя;

число Грасгофа, выражает влияние на теплоотдачу гравитационных сил и температурного расширения;

, число Прандтля, характеризует влияние на теплоотдачу физических свойств теплоносителя;

(Р_rж / Р_rc) ^0,25 , отношение учитывает изменение свойств теплоносителя по толщине пограничного слоя.

Постоянная С и показатели m,n,k определяются экспериментально на моделях геометрического и физического подобия.

Средний по длине трубы коэффициент теплоотдачи при вынужденном ламинарном течении в прямых гладких трубах можно рассчитать по формуле

Nu= 0,15Re^0,33·Pr^0,33(Gr·Pr)^0,1·(Рr_ж / Рr_с)^0,25·ε_l , (8)

а для случая турбулентного течения

Nu= 0,021Re^0,8·Pr^0,43(Рr_ж / Рr_с)^0,25ε_l . (9)

Здесь и в дальнейшем индексы "ж" и "с" означают, что физические параметры, входящие в числа подобия берутся при среднемассовой температуре жидкости t_ж или средней температуре стенки t_с.

Если в формулу (7) подставить физические величины, составляющие числа подобия, и решить его относительно коэффициента теплоотдачи, получим расчетную формулу для случая турбулентного течения воды в трубе:

, (10)

где - теплопроводность теплоносителя при его средней температуре, Вт/(м К) , (Приложение А и Б).

d- характерный линейный размер, м; если теплоноситель течет внутри труб- это внутренний диаметр трубы d_вн; если теплоноситель течет в межтрубном пространстве вдоль труб- это эквивалентный диаметр межтрубного сечения d_э = (1,0…1,5)d_н ;

d_н- наружный диаметр трубы, м.; если теплоноситель течет в каналах не круглого сечения, d=d_э .

- кинематическая вязкость теплоносителя при его средней температуре, м²/с (приложения А и Б);

u- скорость движения теплоносителя, м/с;

ε_l- коэффициент, характеризующий влияние начального участка на среднюю теплоотдачу принимается по Приложению В.

(11)

где А- площадь поперечного сечения канала, м²;

П- смоченный периметр, м;

Если в теплообменнике в качестве горячего теплоносителя применяется пар, то для конденсирующего пара коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

- для горизонтально расположенных труб

= 0,728 , (12)

- для вертикально расположенных труб

= 0,943 (13)

где - плотность жидкости, кг/м³;

r- теплота парообразования, равная теплоте конденсации пара, кДж/кг;

g- ускорение свободного падения, м²/с;

- кинематическая вязкость жидкости, м²/с;

t_н- температура насыщения пара при заданном давлении, ⁰С;

t_с- температура стенки, принимается приближенно:

(14)

Таким образом, по формуле (10) вычисляется коэффициент теплообмена (теплоотдачи ₁), если горячим теплоносителем является вода или горячие газы, а по формулам (12) и (13), если горячим теплоносителем является пар. Затем по формуле 10 вычисляется коэффициент теплоотдачи ₂ от поверхности труб холодному теплоносителю.