ОБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Основные закономерности процесса теплопередачи

В подавляющем большинстве теплообменных аппаратов тепло передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку конвекцией и теп­лопроводностью. Количество тепла, передаваемого в единицу времени (тепловая нагрузка аппарата) определяется из уравнения теплового баланса:

Q = бгПп = Q2,

где hn - коэффициент полезного использования тепла в аппарате;

Q1, Q2 (Вт) - количество тепла, отдаваемого одним теплоносителем и воспри­нимаемого другим.

При неизменном агрегатном состоянии теплоносителя

Q = G ■ c ■ (t6 - tM),

а при его изменении (кипение, испарение)

Q = G ■ г

Здесь G - расход теплоносителя (кг/с),

t6 ,tM - его большая и меньшая температуры (оС), c - его удельная теплоемкость (Дж/кг/К) при средней температуре, г - теплота испарения или конденсации (Дж/кг).

Поверхность теплообмена, необходимая для обеспечения тепловой нагрузки Q, определяется по формуле:

F = Q /К /Д^,

где К - коэффициент теплопередачи (Вт/м2/К),

Д4р - средняя разность температур теплоносителей.

При прямоточном и противоточном движении жидких и газообразных сред

Д4р = ^б - Мм)/1п(Дб^м),

где Д^, DG - большая и меньшая разность температур теплоносителей на противо­положных концах теплообменной поверхности. При смешанном и перекрестном движении полученное таким образом значение Д^ умножается на поправочный коэффициент

где R = (t11 - t12)/(t22 - t21), S = (t22 - t21 )/(t11 - t21),

111, t12 - начальная и конечная температура горячего теплоносителя,

121, t22 - начальная и конечная температура холодного теплоносителя.

Для плоской стенки и труб при отношении их наружного диаметра к внутрен­нему djd < 2 коэффициент теплопередачи определяется по формуле

К = (1/a1 + SR, +1/a2)-1,

где ab a2 - коэффициенты теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке и от стенки к холодному (Вт/м2/К),

SR, - сумма термических сопротивлений разделяющей стенки, куда входят со­противления слоев стенки 5ст, /1ст, и слоев загрязнений Rs, = 5з, /1з, с обеих сторон стенки (м2/К/Вт). Здесь 5ст,, 5з, - толщина і - го слоя стенки и загрязнения (м), 1ст,, 1з, - коэффициенты теплопроводности их материалов (Вт/м/К). Значения 5з,, 1з, обычно неизвестны, поэтому значения Rз, либо берутся из справочников, либо их наличие учитывается умножением значения К, рассчитанного без учета загрязне­ний, на коэффициент j (для аппаратов, не требующих частой очистки j = 0.7 ^0.8, при активном выпадении осадков из теплоносителей j = 0.4 ^0.5).

Значения коэффициентов теплоотдачи аь а2 определяются из критериальных уравнений, форма которых в каждом конкретном случае зависит от условий тепло­отдачи. В эти уравнения чаще всего входят следующие критерии:

Нуссельта Nu = а-ll 1,

где l - определяющий геометрический размер (м),

1 - коэффициент теплопроводности теплоносителя (ВтІмІК);

Рейнольдса Re = w-l-pІц, где w - скорость течения теплоносителя (м/с),

p (кгІм3), m (Па-с) - его плотность и динамическая вязкость;

Прандтля Pr = ц-сІ 1;

Грасгофа Gr = g-l3-p-Dtlv2,

где b - коэффициент объемного расширения теплоносителя (1ІК),

Dt - разность его температур у стенки и в ядре, v - кинематическая вязкость (м2Іс).

Наиболее часто используемые формы уравнения теплоотдачи:

1. Теплоотдача при свободном движении теплоносителя (охлаждение кожухов аппаратов, трубопроводов окружающим воздухом):

Nu = А-^г-Рг)",

где при Gr-Pr < 500 А = 1.18, n = 0.125;

при 500 < Gr-Pr < 2-107 А = 0.54, n = 0.25; при Gr-Pr > 2-107 А = 0.135, n = 0.33.

Определяющая температура - средняя температура пограничного слоя t = (tCT + 4р)І2, где tCT, 4р - температура стенки и средняя температура теплоносителя. Опреде­ляющий размер - диаметр трубы или высота стенки.

В этом случае коэффициент конвективной теплоотдачи соизмерим с коэффи­циентом теплоотдачи лучеиспусканием

ад = 5.67-10-8-е-ф-(Тст4 - Тср4)І( tCT - t^),

где e - степень черноты поверхности (для масляной краски, окисленной стали e = 0.75^0.9),

ф - коэффициент, зависящий от геометрии поверхности и условий лучеиспуска­ния (ф = 1, если близлежащие поверхности имеют температуру окружающей среды), Тст, Тср - абсолютные температуры.

Общий коэффициент теплоотдачи ао = а + ал.

2. Теплоотдача при вынужденном движении теплоносителя в трубах и кана­лах (отношение длины канала к его эквивалентному диаметру Щ, > 50):

турбулентный режим (Re >10000) - Nu = 0.021-Re08-Pr043-(PrlPrсT)0■25; переходный режим (Re = 2300^10000) - Nu = 0.0015-Rel cl9-Pr°'43-(PrlPrсT)0■25; ламинарный режим (Re < 2300) - Nu = 0.17-Re033-Pr043-Gr0Л-(PrlPrсT)0■25. Определяющие параметры - t^ и йэ = 4-SP, где S, P - площадь поперечного сечения и периметр канала. При движении теплоносителя в изогнутых трубах (в змеевике) дополнительная турбулизация потока учитывается умножением правых частей
уравнений на коэффициент eR = 1+3.54-dJD, где dH, D - наружный диаметр трубы и диаметр ее навивки.

3. Теплоотдача при поперечном (строго перпендикулярном) омывании тепло­носителем пучка труб:

- при Re >1000 - Nu = А-Яеп-Рг036-(Рг/Ргст)025,

где А = 0.22, п = 0.65 для шахматного расположения труб,

А = 0.4, п = 0.6 - для коридорного расположения;

- при Re <1000 - Nu = 0.56-Re0S-Pr036(Pr/PrJ025.

При расчете теплоотдачи в реальных кожухотрубчатых теплообменниках с пе­регородками в межтрубном пространстве правые части этих уравнений умножаются на коэффициент изменения угла атаки ef ~ 0.6. Определяющие параметры - 1ср, dH, скорость в самом узком сечении пучка.

4.

Теплоотдача при пленочной конденсации паров. В этом случае значение ко­эффициента теплоотдачи определяется по формуле

где r - теплота конденсации пара при заданном давлении (Дж/кг);

рк, 1к, Цк - плотность, коэффициент теплопроводности и динамическая вязкость конденсата при температуре конденсации 4;

Д4 4 4т;

l - определяющий размер: для вертикального трубчатого конденсатора l = H (высота труб), С = 1.15; для горизонтального - l = dK, С = 0.72.

5. Теплоотдача при кипении жидкостей. При вынужденном движении жидко-

Д4ип Лу^ТкипХ

где Ь = 0.075 + 0.75 -[рп/(Рж - Рп)]

рж, рп - плотности жидкости и пара;

Dt = t -1 T = t + 273°С'

4ип - температура кипения жидкости при заданном давлении; v, ст - кинематическая вязкость и коэффициент поверхностного натяжения жид­кости (Н/м).

При пузырьковом кипении на наружной поверхности пучков труб

a = 600-ф-/33-Д4ИП2-33,

где ф - экспериментально определяемый коэффициент (для воды ф = 1), р - давление в аппарате (МПа).