Материал: 2293
G1 G2c2 t2" t2' ;
h1
для тепломассообмена
G1 G2c2 t2" t2' ,
K H
где с1 , с2 – теплоемкости теплоносителей; t1' , t1", t2' , t2" начальные и ко-
нечные температуры теплоносителей; H и K – начальное и конечное влагосодержание.
Средний температурный напор в теплообменнике
Θ tБ tМ ,
ln tБ
tМ
где tБ – больший температурный напор на конце теплообменника; tМ – меньший температурный напор.
Коэффициент теплоотдачи:
для плоских поверхностей теплообмена
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
; |
|
||
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
RЗ |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||||||||
для круглых труб |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
||
|
1 |
|
d2 |
|
|
d2 |
ln |
d2 |
|
|
1 |
RЗ |
|||||||||
|
1 |
d1 |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
|
d1 |
2 |
|
|
||||||||||
для труб с наружными ребрами
k |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
FРС |
|
|
|
|
|||
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
RЗ |
|||||||
|
|
|
1 |
|
|
F |
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
С |
|
|
2ПР |
||||
где 1 и 2 – коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной по-
верхностях стенки соответственно; 2ПР – приведенный коэффициент теплоотдачи для ребристой поверхности; толщина стенки; коэффициент теплопроводности материала стенки; d1 и d2 – внутренний и наружный диаметры труб; FС и FРС – площадь гладкой и ребристой поверхностей
стенки; RЗ – термическое сопротивление, учитывающее загрязнение стен-
ки, RЗ = 0,009 м2·К/Вт.
Коэффициенты теплоотдачи определяют, пользуясь теорией подобия. Интенсивность конвективного теплообмена между жидкостью (газом) и
60
поверхностью твердого тела характеризует критерий подобия Нуссельта
Nu.
Если найден критерий Nu, то
|
Nu Ж |
, |
(3.40) |
|
|||
|
l |
|
|
где l – определяющий размер; Ж – коэффициент теплопроводности жидкости.
При движении потока внутри прямой трубы в случае развитого турбулентного течения справедливо критериальное уравнение
(3.41)
где число Рейнольдса Re = w l / ; число Прандтля Рr = cP / ; w, сР скорость и теплоемкость теплоносителя; , кинематическая и динамическая вязкости теплоносителя.
При поперечном обтекании пучка труб зависимость между критериями подобия, определяющими процесс теплоотдачи, имеет вид:
для коридорного пучка
Nu 0,26Re0,65 Pr0,33; |
(3.42) |
для шахматного |
|
Nu 0,41Re0,60 Pr0,33 . |
(3.43) |
Коэффициент теплоотдачи при пузырьковом кипении воды в большом
объеме можно определить по формуле |
|
|
||
|
3,4(10р)0,18 |
qC2/3, |
(3.44) |
|
1 0,045р |
||||
|
|
|
||
где р – давление; qС – удельная тепловая нагрузка.
Определение конструктивных размеров теплообменников
Кожухотрубные теплообменники
Для определения общей теплопередающей поверхности кожухотрубных теплообменников определяют коэффициенты теплоотдачи по уравнениям (3.40) (3.43), если теплоносители не меняют агрегатного состояния. В случае кипения теплоносителя (воды) применяют формулу (3.14), затем определяют коэффициент теплопередачи и общую поверхность теплообмена.
После этого определяют конструктивные размеры теплообменника. Поверхность нагрева одного хода кожухотрубного теплообменника
FX = dCP l n,
где dСР – средний диаметр труб; l – длина труб; n – число труб.
61
Число трубок в одном ходе теплообменника
n 4G ,
dBH2
где dВН – внутренний диаметр трубки; – плотность теплоносителя. Толщина стенок трубок обычно 0,5–2,5 мм. Внутренний диаметр для
возможности механической очистки – не менее 12 мм. Применение трубок с внутренним диаметром более 38 мм не рекомендуется. Шаг трубок S = (1,3…1,5) dН . Длина трубок не должна превышать 5 м.
Нормальным расположением считается размещение трубок на трубной доске по вершинам равносторонних треугольников. Размещение трубок может быть выполнено и по концентрическим окружностям, отстоящим одна от другой на величину шага между трубками.
По данным табл. 3.3, зная число трубок, можно определить диаметр, на котором располагаются крайние трубки, выраженный через шаг S между трубками.
|
|
|
|
|
|
Таблица 3.3 |
|
Диаметр крайних трубок кожухотрубного теплообменника |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
D'/S |
z1 |
z2 |
|
D'/S |
z1 |
z2 |
2 |
7 |
7 |
|
20 |
367 |
341 |
4 |
19 |
19 |
|
22 |
439 |
410 |
6 |
37 |
37 |
|
24 |
517 |
485 |
8 |
61 |
62 |
|
26 |
613 |
566 |
10 |
91 |
93 |
|
28 |
721 |
653 |
12 |
127 |
130 |
|
30 |
823 |
747 |
14 |
187 |
173 |
|
32 |
931 |
847 |
16 |
241 |
223 |
|
34 |
1045 |
953 |
18 |
301 |
279 |
|
|
|
|
Примечание. z1 – общее число труб, размещенных в трубной доске по углам треугольников; z2 – то же по концентрическим окружностям.
Внутренний диаметр корпуса одноходового теплообменника
D = D ' + dH + 2 k,
где k – кольцевой зазор между крайними трубками, k 6 мм.
Внутренний диаметр корпуса многоходового теплообменника определяется графическим методом.
Длина трубок
l F ,dH zn
где z – число ходов; n – число трубок в одном ходу.
62
Змеевиковые теплообменники
Коэффициент теплоотдачи для змеевикового теплообменника при движении теплоносителя внутри змеевика определяется по формуле (3.41) или (3.44) в зависимости от того, меняет ли теплоноситель агрегатное состояние. Для условий движения теплоносителя в межтрубном пространстве змеевикового теплообменника можно использовать критериальное уравнение
Nu cRen . |
(3.45) |
Определяющим размером в этой формуле принят наружный диаметр трубы.
Значения коэффициентов с и n в уравнении (3.45) в зависимости от относительного шага навивки S1/d поперек потока и S2/d вдоль потока и числа Рейнольдса (S1 и S2 – шаги навивки змеевиков) приведены в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Коэффициенты с и n в зависимости от шага навивки и числа Рейнольдса
S1/d |
S2/d |
Re |
с |
n |
1,1 |
1,0 |
1200-2800 |
0,044 |
0,91 |
1,1 |
1,2 |
2800-10000 |
0,27 |
0,68 |
1,1 |
1,4 |
2200-4000 |
0,077 |
0,85 |
1,2 |
1,0 |
2800-13000 |
0,071 |
0,85 |
1,2 |
1,2 |
2100-6000 |
0,094 |
0,85 |
1,2 |
1,4 |
2000-5000 |
0,083 |
0,85 |
1,4 |
1,0 |
4500-10000 |
0,065 |
0,85 |
1,4 |
1,2 |
3700-10000 |
0,006 |
1,17 |
1,4 |
1,4 |
3800-8500 |
0,082 |
0,85 |
Живое сечение межтрубного пространства теплообменника fЖ V / ,
где V – объемный расход теплоносителя; – скорость теплоносителя. Число слоев намотки m определяют из формуле
fЖ m Dc d m,
где DС – диаметр сердечника; – толщина прокладки между змеевиками. Шаг навивки поперек потока
S1 d .
Шаг навивки вдоль потока
63
S2 d.
Длина каждого из змеевиков
l F ,dBH n
где n – число параллельных змеевиков, по которым движется теплоноситель,
|
|
|
n |
|
4V |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Внутренний диаметр обечайки |
dBH2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
D0 DC 2m d . |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Средний диаметр навивки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Высота навивки |
DCP D0 DC / 2. |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
nld |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
H |
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
DCPm |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Длина трубки должна быть в пределах l = 15 20 м. |
|
|
|
|
||||||||||||
Количество витков в каждом ряду |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
k0 H / d. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Характеристика навивки |
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Номер |
Средний диаметр ряда |
|
Число заходов |
Длина каждого |
Число витков в |
|||||||||||
ряда |
DP DC |
|
в ряду (округ- |
змеевика |
змеевике |
|||||||||||
NP |
(2NP 1) |
|
ленно) |
|
DPk0 |
' |
|
l' |
||||||||
|
|
|
DPk0 |
|
l' |
|
k0 |
|
|
|
||||||
|
|
n' |
|
n' |
|
DP |
||||||||||
|
( dH ) |
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
||||
При расчете характеристики навивки необходимо, чтобы длина каждого змеевика в ряду была приблизительно одинаковой.
Регенеративные теплообменники
Для расчета регенераторов необходимо определить характеристики насадки. В качестве насадки низкотемпературных регенераторов используется алюминиевая гофрированная лента.
Обычно применяют следующие характеристики насадки: толщина ленты = 0,3 мм; высота диска b = 34 мм; шаг рифа а = 4,71 мм; высота рифа h = 1,9 мм; приведенный диаметр насадки dП = 1,21 мм; свободный объем
64