Определение коэффициентов теплоотдачи

Чаще всего в инженерной практике используются критериальные уравнения процесса теплоотдачи. При выборе критериального уравнения для определения коэффициентов теплоотдачи необходимо принимать во внимание следующее.

1. Учитывается характер теплообмена: без изменения агрегатного состояния вещества (нагревание, охлаждение), с изменением агрегатного состояния вещества (кипение, конденсация).

2. Определяется режим движения теплоносителя, за который при вынужденном движении отвечает критерий Рейнольдса.

3. Характеризуется пространство теплообменника, в котором течет теплоноситель: трубное или межтрубное.

4. Характеризуется геометрическое расположение теплообменных труб: вертикальное или горизонтальное.

5. Характеризуется наличие перемешивающих механических устройств: мешалки, пневматические устройства и т.д.

6. Характеризуется вид поверхности теплообмена: плоская, трубчатая, оребренная и т.д.

7. Характеризуется тип конструкции теплообменника: кожухотрубчатый, змеевиковый, “труба в трубе” и т.д.

Критериальные уравнения расчета коэффициентов теплоотдачи для установившихся тепловых процессов без изменения агрегатного состояния вещества

1. При движении теплоносителя в прямых трубах круглого сечения или в каналах некруглого сечения (трубное пространство кожухотрубчатого теплообменника и теплообменника типа “труба в трубе”) коэффициент теплоотдачи определяют из следующих уравнений.

а) При развитом турбулентном течении теплоносителя (Re ≥ 10⁴):

Nuж = 0,021 Red,ж0,8 Ргж0,43 (Ргж/Ргст)0,25 ε l,

(5)

где ε _l - коэффициент, учитывающий отношение длины трубы (L) к ее диаметру (d), при L/d≥ 50 ε _l = 1.

б) При переходном режиме движения (2300< Re<10⁴):

Nu = 0,008 Red,ж0,9 Ргж0,43 (Ргж / Prст)0,25,

(6)

в) При ламинарном режиме течения теплоносителя (Re ≤ 2300):

Nud,ж = l,4(Red,ж· )0,4 Ргж0,33(Ргж /Prcт)0,25.

(7)

Определяющим геометрическим размером в формулах (5) – (7) является:

• d_э – эквивалентный диаметр трубы (внутренний диаметр для труб круглого сечения), определяющей температурой, при которой рассчитываются все теплофизические характеристики теплоносителей, – средняя температура теплоносителей.
• d_э = D_внутр – d_наруж, где D_внутр - внутренний диаметр наружной трубы, d_наруж – наружный диаметр внутренней трубы.
• Pr_ж – критерий Прандтля, рассчитанный при температуре жидкости.
• Pr_ст – критерий Прандтля, рассчитанный при температуре стенки.

2. При движении теплоносителя в межтрубном пространстве теплообменника типа “труба в трубе” коэффициент теплоотдачи можно считать также по формулам (1) – (3), подставляя в качестве определяющего размера эквивалентный диаметр кольцевого сечения между двумя трубами.

Методы расчета теплоотдачи с помощью d_э являются приближенными. Для повышения точности вычислений иногда пользуются уравнениями подобия, полученными для конкретного профиля проходного сечения канала. Например, при течении капельной жидкости в каналах кольцевого поперечного сечения средние коэффициенты теплоотдачи находятся по уравнению

Nud,ж = 0,017 Red,ж0,8 Ргж0,4 (Ргж/Ргст)0,25 (D/d2)0,18,

(8)

где D — внутренний диаметр наружной трубы;

d₂ — внешний диаметр внутренней трубы.

Уравнение (8) справедливо при D/d₂ = 1,2... 1,4; L/d= 50...460; Рг_ж = 0,7...100.

Задачи

Задача 1 для вариантов с 1 по 10. Определить поверхность нагрева водоводяного теплообменника, если известны расход нагреваемой воды G₂, температуры воды на входе в теплообменник нагревающей и нагреваемой воды соответственно – t'₁, t"₁, температуры на выходе теплообменника нагревающей и нагреваемой воды соответственно – t'₂, t"₂, коэффициент теплопередачи k. Данные к задаче представлены в прилагаемой таблице 1.

Таблица 1

Вариант	Схема движения теплоносителей	G2, кг/c	t'1, ° С	t"1, ° С	t'2, ° С	t"2, ° С	k, кВт/(м2·К)
	прямоточное						1,1
	прямоточное						1,3
	прямоточное						1,2
	прямоточное						1,2
	прямоточное						1,1
	противоточное						1,3
	противоточное						1,2
	противоточное						1,3
	противоточное						1,2
	противоточное						1,1

Задача 1 для вариантов с 11 по 20. Определить расход нагревающего пара и поверхность нагрева пароводяного теплообменника, если известны: схема движения теплоносителей, расход нагреваемой воды G₂, давление нагревающего пара p_п, температура пара t_п, энтальпия конденсата h^'_к, температура нагреваемой воды на входе в теплообменник – t'₂, температура нагреваемой воды на выходе из теплообменника – t"₂ и коэффициент, учитывающий потери теплоты теплообменником в окружающую среду h. Данные приведены в таблице 2.

Таблица 2

Вариант	Схема движения теплоносителей	G2, кг/c	pп, МПа	tп, °С	h'к, кДж/К	t'2, °С	t"2, °С	k, кВт/(м2К)	h
	Прямоточное	5,6	0,12					1,05	0,97
	Прямоточное	6,2	0,10					1,10	0,97
	Прямоточное	6,4	0,17					1,08	0,98
	Прямоточное	5,8	0,14					1,12	0,96
	Прямоточное	6,0	0,12					1,06	0,96
	Противоточное	5,6	0,20					1,07	0,98
	Противоточное	6,6	0,17					1,04	0,97
	Противоточное	5,8	0,12					1,05	0,96
	Противоточное	5,6	0,10					1,08	0,97
	Противоточное	6,5	0,07					1,10	0,95