Материал: 2471

Для расчета коэффициента теплоотдачи при турбулентном режиме течения в трубах и каналах при движении теплоносителя за счет внешних сил установлена зависимость (критерий Нуссельта) [9,15]:

где индекс dэ устанавливает, что в качестве характерного линейного размера берется эквивалентный диаметр канала, равный отношению учетверённой площади поперечного сечения канала Fсеч к его пери-

метру (dэ 4Fсеч ), а индекс ж – что физические свойства тепло-

носителя определяются по средней температуре жидкости (газа). Для трубы круглого сечения dэ d , а для кольцевого канала

dэ dн dв, где dн и dв соответственно наружный и внутренний диаметры.

Если режим движения ламинарный, то

Nudэ 0,15 Re0,33dэ Рrж0,43 Рrж Рrс 0,25. (13.8)

По формулам (13.7) и (13.8) определяется число Нуссельта для труб любой формы поперечного сечения – круглого, квадратного, прямоугольного, кольцевого.

Для понимания характера приведённой выше зависимости важно знать физический смысл входящих в неё критериев.

Критерий Нуссельта

Безразмерный критерий Нуссельта есть соотношение термического сопротивления теплопроводности в пограничном слое жидкости к термическому сопротивлению теплоотдачи от жидкости к стенке или наоборот.

Определив критерий Нуссельта, находят значение коэффициен-

та теплоотдачи α, Вт/(м2∙К), например, со стороны горячего теплоно-

сителя к стенке по формуле Nu . dэ

где v – кинематическая вязкость, м2/с.

Критерий Re есть соотношение сил инерции к силам вязкости.

Безразмерный критерий Прандтля характеризует соотношение вязкости к молекулярной силе в потоке.

Для воды при изменении ее температуры от 30 до 100 0С значение критерия Прандтля меняется от 5,42 до 1,75.

Для масла МС-20 с понижением температуры от 100 до 20 0С кинематическая вязкость, мм2/с, повышается с 20 до 1125, а число Прандтля увеличивается с 315 до 15 400.

Более точные значения числа Прандтля для конкретного теплоносителя и его температуры берутся из справочника [15].

Множитель Рrж Рrс 0,25 представляет собой поправку, учитывающую зависимость физических свойств теплоносителя (в основном вязкости) от температуры и направления теплового потока. Для газов

Рrж Рrс 1.

Коэффициент теплопередачи для плоской стенки и труб с

d1 0,5 определяется по формуле d2

через которую переносится теплота, Вт/(м∙К) или Вт/[м2 ∙(К/м)]; 1 и

2 – коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего теплоносителя

кстенке и co стороны холодного теплоносителя.

Коэффициент теплопроводности характеризует способность вещества проводить теплоту. Значение характеризует количество теплоты, Дж, которое проходит за 1 с (Дж/с – тепловой поток, изме-

ряемый, Вт) через 1 м2 поверхности при падении температуры в 10 на 1 м пути теплового потока, Вт/[м2∙(К/м)] или, сокращая на метр, получим Вт/ (м∙К).

Путь теплового потока – это, например, толщина стенки трубы, длина, высота пластины, м.

Ниже приводятся значения , Вт/ (м∙К), для некоторых материалов, из которых могут быть выполнены отдельные детали теплообменников: сталь 10 – 63; сталь 15 – 54,4; сталь 30 – 50,2; сталь хромистая, нержавеющая 3Х13 – 25,1; латунь (60 % меди и 40 % цинка)

– 106; дюралюминий – 159 [15].

Средний температурный напор. Разность температур горячего и холодного теплоносителей называется температурным напоромТ Т1 Т2. Характер изменения температурного напора вдоль по-

верхности теплообмена зависит от схемы движения теплоносителей и соотношения водяных эквивалентов W1 cp1 m t1 и W2 cp2 m t2. Различают следующие схемы течения теплоносителей: прямоток,

противоток, перекрёстный ток, смешанный ток, многократный перекрёстный ток (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Схемы движения теплоносителей

Температурный напор вдоль поверхности теплообмена при прямотоке изменяется сильнее, чем при противотоке. Вместе с тем среднее значение температурного напора при противотоке больше, чем при прямотоке. За счёт этого при противотоке теплообменник получается компактнее. Поэтому с теплотехнической точки зрения всегда следует отдавать предпочтение противотоку над прямотоком.

Средний логарифмический температурный напор определяет-

ся по формуле

tм соответственно наибольшая и наименьшая разность температур между горячим теплоносителем и холодным на входе и выходе из теплообменника.

Площадь поверхности теплообмена. Площадь поверхности те-

плообмена F находится после определения коэффициента теплопере-

Общую длину L трубы подогревателя при принятом диаметре d находим из выражения

13.2. Выбор основных параметров теплообменника типа «труба в трубе»

Теплообменники типа «труба в трубе» широко используются при разогреве и охлаждении жидкостей (газов). Преимущество таких теплообменников заключается в простоте конструкции, и они могут быть собраны из стандартных элементов. При необходимости поверхность теплообмена может быть увеличена за счет установки нескольких секций.

На рис. 13.2 показан подогреватель топлива секционный ПТС типа «труба в трубе». Горячий пар (горячая вода) входит через клапан 4, проходит по трубе 7 и выходит через клапан 5 в виде конденсата. Проходя по трубе, пар нагревает ее и отдает теплоту через стенки трубы 7, например холодной воде. Холодная жидкость под действием перепада давления входит в подогреватель через клапан 6, а выходит через клапан 3. Жидкость, проходя через кольцевое сечение подогревателя, увеличивает свою температуру. Массовый расход пара (горячей воды) и холодной жидкости регулируется проходными сечениями клапанов.

Рис. 13.2. Подогреватель топлива секционный типа ПТС:

1 и 2 – опоры неподвижные; 3 – клапан выхода жидкости; 4 – клапан входа пара; 5 – клапан выхода конденсата; 6 – клапан входа жидкости; 7 – труба нагревательная; 8 – корпус подогревателя; 9 – фланец корпуса; 10 – болт;

11 – крышка; 12 – изоляция; 13 – рёбра нагревательной трубки;

Аи Б – вход и выход нефтепродукта;

В– вход пара; Г – выход конденсата

На рис. 13.3 показан разрез теплообменника типа «труба в трубе». Горячий теплоноситель движется по внутренней трубе, а холодный – по кольцевому каналу. Теплота передается от одного теплоносителя к другому через цилиндрическую стенку.

Тепловой поток теплоносителя в трубе определяется из выраже-

ния