Наличие в щелевидных каналах пластинчатых подогревателей, образованных пластинами с гофрами, большого числа близко расположенных поворотов приводит к эффективной искусственной турбулизации потоков воды. На значение критического числа Рейнольдса влияют форма поверхности теплообмена, форма канала, а также источники искусственной турбулизации потоков.
При движении воды в круглой трубе в условиях стабилизированного потока область переходного режима лежит в пределах 2300 < Re < 10000. В извилистых каналах пластинчатых водоподогрёвателей переход к турбулентному режиму происходит при Re = 200 – 500.
Учитывая исключительную сложность гидромеханических и тепловых явлений в непрерывно меняющемся турбулентном потоке вода в каналах пластинчатых подогревателей, задачу о теплоотдаче решают не аналитически, а экспериментально в форме связи между критериями подобия.
Институтом УКРНИИхиммаш на основе эксперимента получены зависимости для теплового расчета пластинчатых подогревателей всех типов, выпускаемых в настоящее время промышленностью. Так, для пластины типа 0,5 Е (см. рис. 2) при турбулентном движении воды получена следующая связь между критериями подобия:
(2.14)
В критерии введены обозначения:
- определяющий размер, м;
- коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К);
- коэффициент кинематической вязкости, м2/с;
- коэффициент объемного расширения, 1/К;
- коэффициент температуропроводности, м2/с;
- температурный напор (перепад) между стенкой и жидкостью;
- скорость течения теплоносителя, м/с;
- ускорение свободного падения тела, м/с2;
- средняя массовая теплоемкость, кДж/(кг*К);
- плотность, кг/м3;
- коэффициент, определяемый по величине критерия Рейнольдса.
При движении теплоносителя в трубах круглого сечения определяющим линейным размером является внутренний диаметр трубы 
.
Для каналов любого сечения 
,
где
- площадь поперечного канала сечения, м2;
- смоченный периметр сечения, м.
При течении теплоносителя в межтрубном пространстве вдоль пучка труб, расположенных в кожухе аппарата, эквивалентный диаметр равен:
Для выполнения проверочного расчета теплообменника используются следующие дополнительные соотношения:
1) для прямотока:
- конечная температура горячего теплоносителя
- конечная температура холодного теплоносителя
2) аналогично для противотока:
Для определения функций П и Z составлены графики 
и таблицы 
.
После определения конечных температур тепловой поток рассчитывается по уравнению (2.1) или (2.2).
ЗАДАНИЕ
В одноходовом кожухотрубном скоростном водоподогревателе горячий теплоноситель движется в межтрубном пространстве и охлаждается от температуры 
до 
.
Внутренний диаметр кожуха аппарата 
. Холодный теплоноситель движется внутри латунных трубок, наружный диаметр которых 
, а внутренний 
. Холодный теплоноситель нагревается от 
до 
.
Число латунных трубок в теплообменнике n = …. Трубки теплообменника с внутренней стороны покрыты отложениями (накипью) толщиной 
. Тепловая мощность, вносимая в аппарат горячим теплоносителем, 
. Потери теплоты в окружающую среду составляют 5%.
Определить поверхность нагрева F и число секций N теплообменника. Длина секции 
.
Расчет произвести для прямоточного и противоточного направлений движения теплоносителей, а также при наличии накипи на трубах и при её отсутствии.
Известно также…
Холодный теплоноситель - вода;
Горячий теплоноситель – вода;
;
;
;
.
П р и м е ч а н и е. Исходные данные варианта домашнего задания для студентов дневной и заочной формы обучения берутся по последним двум цифрам номера зачетной книжки из таблицы 4.1 или выдаются преподавателем.
Исходные данные домашнего задания «Типовой расчет теплообменного аппарата» для специальности
270112 «Водоснабжение и водоотведение»
| Наименование величин | Предпоследняя цифра шифра | |||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
| ||||||||||
| 1,1 | 1,2 | 1,6 | 0,8 | 1,0 | 1,7 | 1,9 | 0,7 | 1,5 | 1,8 |
| 1,2 | 2,1 | 1,4 | 0,6 | 0,5 | 1,1 | 1,5 | 1,1 | 1,7 | 0,9 |
| Последняя цифра шифра | ||||||||||
| Холодный теплоноситель | в о д а | |||||||||
| 0,186 | 0,212 | 0,220 | 0,156 | 0,202 | 0,234 | 0,252 | 0,170 | 0,197 | 0,201 |
| ||||||||||
| 10,2 | 10,7 | 10,5 | 11,6 | 11,2 | 11,1 | 9,5 | 11,3 | 11,5 | 11,7 |
| ||||||||||
| ||||||||||
| Горячий теплоноситель | в о д а |
Выполненная работа должна содержать задание на расчет со всеми исходными данными с указанием, номера варианта, конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата по примеру табл. 4.2 сводную таблицу 4.3 результатов расчета, выводы, графическую часть (см. рис 3,4) список использованной литературы, затраты времени на выполнение контрольной работы.
ВОПРОСЫДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
1.Что называется теплообменным аппаратом (ТОА)?
2. На какие группы делятся ТОА?
3. По каким схемам осуществляется движение теплоносителей в ТОА?
4. Основное равнение теплопередачи и теплового баланса?
5. Что называется условным эквивалентом?
6. Как изменяются температуры теплоносителей?
7. Графики изменения температур теплоносителей в аппаратах с прямотоком и противотоком?
8. Простые виды теплообмена: теплопроводность, конвекция, излучение?
9. Что такое сложный теплообмен?
10. Методика конструктивного расчета и особенности поверочного расчета?
11. Принцип расчета коэффициента теплоотдачи 
?
12. По какой формуле рассчитывается коэффициент теплопередачи К?
13. Преимущества и недостатки прямотока и противотока?
14. Как находится величина среднего температурного напора для аппаратов
с прямотоком и противотоком?
15. Особенности расчета пластинчатого водоподогревателя?
16. Возможно ли условие равенства температур 
при прямотоке?
Таблица 4.2- Конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата
| Наименование определяемой величины | Способ получения | Расчет | Результат |
| 1. Коэффициент использования тепла | 100 – 5%,
т.е. 
| ||
| 2. Тепловая мощность, воспринимаемая холодным теплоносителем | 
| 
| |
| 3. Тепловая мощность, теряемая в окружающую среду, кВт | 
| ||
| 4. Температурный перепад между теплоносителями на концах аппарата, К | |||
| а) при прямотоке | 
| ||
| б) при противотоке* | 
или
| ||
*ПРИМЕЧАНИЕ. Выбирается пара уравнений, при решении которых выполняется условие 
| |||
| 5. Средний температурный напор рассчитывается для | |||
| а) прямотока, К | 
| ||
| б) противотока, К | или (при  )
| ||
| 6. Изменение температуры теплоносителя: | |||
| а) горячего | 
| ||
| б) холодного | 
| ||
| 7. Средняя температура теплоносителя: | |||
| а) горячего | 
| ||
| б) холодного | 
| ||
где 
| |||
| 8. Физические параметры теплоносителя: | |||
а) горячего при
Т1=
 кг/м3
 кДж/(кг*К)
 Вт/(м*К)
 м2/с
 1/К
| Приложение | ||
б) холодного при
Т2=
 кг/м3
 Дж/(кг*К)
 Вт/(м*К)
 м2/с
 1/К
Pr2
| Приложение | ||
| 9. Массовый расход теплоносителя, кг/с: | |||
| а) горячего | 
| ||
| б) холодного | 
| ||
| 10. Условный эквивалент, кВт/К: | |||
| а) горячего | 
| ||
| б) холодного | 
| ||
| 11. Площадь переходного сечения межтрубного пространства, м2 | 
| ||
| 12. Площадь проходного сечения трубок, м2 | 
| ||
| 13. Скорость движения теплоносителей, м/с: | |||
| а) горячего | 
| ||
| б) холодного | 
| ||
| 14. Эквивалентный диаметр: | |||
| а) труб круглого сечения, м | 
| ||
| б) межтрубного пространства, м | 
| ||
| 15. Критерий Рейнольдса для теплоносителя: | |||
| а) горячего | 
| ||
| б) холодного | 
| ||
| 16. Температура стенки | 
| ||
| 17. Критерий Прандтля по температуре стенки | Приложение | ||
| 18. Температурный напор, К: | |||
| а) горячая вода – стенка | 
| ||
| б) холодная вода - стенка | 
| ||
| 19. Коэффициент объемного расширения, 1/К | Приложение | ||
20. Критерий Грасгофа рассчитывается только при  для теплоносителя:
| |||
| а) горячего | 
| ||
| б) холодного | 
| ||
| 21. Критерий Нуссельта для теплоносителя: | |||
а) горячего
– при ламинарном течении 
– при переходном течении 
– при турбулентном течении 
|  ;
 ,
где К0 см.табл. 4.4;
| ||
| б) холодного (как и для горячего) | 
| ||
| 22. Коэффициент теплоотдачи, кВт/м2К: | |||
| а) от горячего теплоносителя к стенке | 
| ||
| б) от стенки к холодному теплоносителю | 
| ||
| 23. Коэффициент теплопередачи для горячего теплоносителя к холодному через стенку, кВт/м2К: | |||
| а) при наличии накипи | 
| ||
| б) при отсутствии накипи | 
| ||
| 24. Поверхность нагрева рассчитывается для прямотока и противотока, м2: | |||
| а) при наличии накипи | 
| ||
| б) при отсутствии накипи | 
| ||
| 25. Поверхность нагрева одной секции, м2 | 
Где 
| ||
| 26. Число секций в ТОА рассчитывается для прямотока и противотока: | |||
| а) при наличии накипи | 
| ||
| б) при отсутствии накипи | 
| ||
| 27. Длина ТОА, рассчитывается для прямотока и противотока, м: | |||
| а) при наличии накипи | 
| ||
| б) при отсутствии накипи | 
|
Таблица 4.3- Сводная таблица результатов теплового расчета теплообменного аппарата
| Показатель | При отсутствии накипи | При наличии накипи | ||
| прямоток | противоток | прямоток | противоток | |
| ||||
| ||||
| ||||
| ||||
|
Таблица 4.4- Зависимость коэффициента К0 от величины критерия Рейнольдса
| 2,2 | 2,3 | 2,5 | 3,0 | 3,5 | |||||||
| К0 | 2,2 | 3,6 | 4,9 | 7,5 | 12,2 | 16,5 |
Приложение
Физические свойства воды на линии насыщения
| Температура | Давление 
| Плотность 
| Теплоемкость
| Коэф. теплопроводности 
| Кинематич. вязкость 
| Коэф.объемн. расширения 
| Критерий Прандтля, 
| |
| Т, К | t, С | |||||||
| 1,013 | 4,212 | 0,560 | 1,789 | -0,63 | 13,50 | |||
| 1,013 | 4,191 | 0,580 | 1,306 | 0,70 | 9,45 | |||
| 1,013 | 4,183 | 0,597 | 1,006 | 1,82 | 7,03 | |||
| 1,013 | 4,174 | 0,612 | 0,805 | 3,21 | 5,45 | |||
| 1,013 | 4,174 | 0,627 | 0,659 | 3,87 | 4,36 | |||
| 1,013 | 4,174 | 0,640 | 0,556 | 4,49 | 3,59 | |||
| 1,013 | 4,179 | 0,650 | 0,478 | 5,11 | 3,03 | |||
| 1,013 | 4,187 | 0,662 | 0,415 | 5,70 | 2,58 | |||
| 1,013 | 4,195 | 0,669 | 0,365 | 6,32 | 2,23 | |||
| 1,013 | 4,208 | 0,676 | 0,326 | 6,95 | 1,97 | |||
| 1,013 | 4,220 | 0,684 | 0,295 | 7,52 | 1,75 | |||
| 1,43 | 4,233 | 0,685 | 0,272 | 8,08 | 1,60 | |||
| 1,98 | 4,250 | 0,686 | 0,252 | 8,64 | 1,47 | |||
| 2,7 | 4,266 | 0,686 | 0,233 | 9,19 | 1,35 | |||
| 3,61 | 4,287 | 0,685 | 0,217 | 9,72 | 1,26 | |||
| 4,76 | 4,313 | 0,684 | 0,203 | 10,3 | 1,17 |
ЛИТЕРАТУРА
1 Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети.7 издание. - М.:МЭИ, 2001-465с.
2 Ионин А.А., Хлыбов Б.М., Братенков В.Н., Терлецкая Е.Н. Теплоснабжение. - М.:Стройиздат, 1982-334с.
3 Скафтымов Н.А. Основы газоснабжения. - Л.: Недра, 1975 -338 с.
4 Ионин А.А. Газоснабжение, 4-е издание. - М.: Стройиздат, 1989- 434 с.
5 Козин В.Е., Левина Т.А., Марков А.П., Пронина И.Б., Слемзин В.А. Теплоснабжение.-М.: Высшая школа, 1980 – 405 с.
6 Тихомиров К.В., Сеогеенко Э.С. Теплотехника, Теплогазоснабжение и вентиляция, 4-е издание.- М.: Стройиздат,1991-474 с.
7 Соснин Ю.П. Инженерные сети, оборудование зданий и сооружений, 2-ое издание.- М.: Высшая школа, 2008-410 с.
8 Хрусталев Б.М., Кувшинов Ю.Я., Копко В.М. Теплоснабжение и вентиляция. – М.: Ассоциации строительных вызов, 2008-776 с.