Для проверки правильности выбора теплообменника необходимо определить фактический коэффициент теплопередачи, на основании которого рассчитывается необходимая поверхность теплообмена.
Определяющим геометрическим размером является эквивалентный диаметр трубы (для трубного пространства – внутренний диаметр труб круглого сечения, для межтрубного пространства – наружный диаметр), а определяющей температурой, при которой рассчитываются все теплофизические характеристики теплоносителей, – средняя температура тепловых агентов.
5.3.1 Средняя скорость потока.
Для обеспечения интенсивного теплообмена и уменьшения скорости образования отложений режим движения жидких или газообразных теплоносителей должен быть турбулентным. Для обеспечения турбулентного течения раствора в трубном пространстве (Re > 10000) необходима скорость:
 ,
| (5.15) |
 ,
| (5.16) |
5.3.2 Критерий Рейнольдса.
Режим движения характеризуется критерием Рейнольдса.
В трубном пространстве при значениях Re ≤ 2300 – ламинарный режим течения, 2300 < Re <10000 – переходной режим движения, Re ≥ 10000 – турбулентный режим течения:
 ,
| (5.17) |
В межтрубном пространстве при значениях Re ≤ 1000 – ламинарный режим течения, Re ≥ 1000 – турбулентный режим течения:
 ,
| (5.18) |
5.3.3 Критерий Прандтля.
Число Прандтля Рr характеризует теплофизические свойства теплоносителей и является одной из важнейших их характеристик.
Для воздуха и газов число Рr ≤ 1. Для воды число Рr = 13,67 ÷ 1 в зависимости от температур (от 0 до 180 ºС). У жидких топлив, масел, кремнийорганических соединений и других веществ Рr = 10 ÷ 65000, у жидких металлов Рr << 1. С увеличением температуры число Рr уменьшается. Определяется по формулам:
|
|
 ,
| (5.19) |
 .
| (5.20) |
5.3.4 Критерий Нуссельта.
Интенсивность теплообмена между твердой поверхностью и окружающей ее жидкостью характеризуется критерием Нуссельта.
В случае развитого турбулентного режима движения жидкости в прямых трубах и каналах (Re1 ≥ 10000), т.е. в трубном пространстве, критерий Нуссельта определяется по уравнению
 ,
| (5.21) |
где 
- поправочный коэффициент, учитывающий влияние на коэффициент теплоотдачи отношения длины труб теплообменника к их диаметру, при lтр/d ≥ 50 εl = 1;
- критерий Прандтля, рассчитанный для жидкости при температуре стенки (рисунок 5.3).
– отношение, учитывающее направление теплового потока. У капельных жидкостей с увеличением температуры величина критерия Прандтля уменьшается, следовательно, при нагревании жидкостей > 1, а при охлаждении жидкостей < 1. При проектировании теплообменников в расчете коэффициента теплоотдачи для нагревающихся жидкостей допускается принимать = 1, а для охлаждающихся жидкостей можно принимать среднее значение = 0,93.
Для газов уравнение для расчета критерия Нуссельта упрощается, так как 
= 1, а критерий Прандтля зависит от атомности газов:
– одноатомные газы Pr = 0,67;
– двухатомные газы Pr = 0,72;
– трехатомные газы Pr = 0,8;
– четырех- и многоатомные газы Pr = 1,0.
Например, для воздуха критериальное уравнение принимает вид:
 ,
| (5.22) |
– при переходном режиме движения (2300 < Reтр <10000):
 ,
| (5.23) |
– при ламинарный режиме течения (Reтр ≤ 2300):
 ,
| (5.24) |
где Gr – критерий Грасгофа, характеризующий соотношение сил вязкого трения и подъемной силы, описывает режим свободного движения теплоносителя.
|
|
Теплоотдача при поперечном обтекании пучка гладких труб (межтрубное пространство кожухотрубчатого теплообменника):
– при Reмтр < 1000 (ламинарный режим) для пучков труб, расположенных по вершинам квадратов и треугольников:
Nuмтр = 0,56  εϕ  Reмтр 0,5 Prмтр 0,36  (Prмтр / Pr2ст)0,25,
| (5.25) |
– при Reмтр ≥ 1000 (турбулентный режим) для пучков труб по вершинам квадратов:
| Nuмтр = 0,22 εϕ Reмтр 0,65 Prмтр 0,36 (Prмтр / Pr2ст)0,25,
| (5.26) |
и для пучков труб по вершинам треугольников:
| Nuмтр = 0,4 εϕ Reмтр 0,6 Prмтр 0,36 (Prмтр / Pr2ст)0,25.
| (5.27) |
Рисунок 5.3 – Критерий Прандтля, рассчитанный для жидкости
при температуре стенки [6]
5.3.5 Коэффициенты теплоотдачи.
Коэффициенты теплоотдачи определяется следующим образом:
– теплоотдача без изменения агрегатного состояния вещества.
Коэффициенты теплоотдачи от потока в трубах к внутренней поверхности трубок и от наружной поверхности трубок к потоку в межтрубном пространстве определим по формулам
 ,
| (5.28) |
 ;
| (5.29) |
– теплоотдача при изменении агрегатного состояния вещества:
а) при пленочной конденсации насыщенного пара любых веществ коэффициент теплоотдачи определяют следующим образом:
1) в случае конденсации на пучке n вертикальных труб высотой Н c наружным диаметром d среднее значение коэффициента теплоотдачи:
 ;
| (5.30) |
2) в случае конденсации на наружной поверхности пучка горизонтальных труб с наружным диаметром d:
| (5.31) |
где εг – поправочный коэффициент на содержание в паре неконденсирующихся газов. По рисунку 2И.1 (приложение 2И) можно определить коэффициент εг по концентрации неконденсирующихся газов в паре;
|
|
εt – поправочная функция, учитывающая вязкость и теплопроводность конденсата при температуре стенки (μст, λст):
 
| (5.32) |
G – массовый расход пара, кг/с;
r – удельная теплота парообразования при tконд, Дж/кг;
Δt = tконд - tст – разность температур конденсации и температуры стенки;
ε – поправочный множитель, учитывающий влияние числа труб по вертикали. Определяется по рисунку 2И.2 (приложение 2И). Число труб по вертикали определяют по таблице в приложении 2К.
Определяющий размер – наружный диаметр труб, или их высота (длина), все теплофизические характеристики определяются для конденсата при температуре конденсации (tконд), т.е. средней температуре теплоносителя;
б) теплоотдача при пузырьковом кипении жидкостей:
1) при кипении в трубах в условиях свободного или вынужденного движения:
 ;
| (5.33) |
q – удельная тепловая нагрузка, Вт/м2;
σ – коэффициент поверхностного натяжения, Н/м;
Ткип – температура кипения жидкости, К;
ΔТкип = (Тст - Ткип) – разница температуры стенки и средней температуры теплоносителя;
b – безразмерная функция, значение которой определяется по уравнению:
| b = 0,075 + 0,75 (ρп / (ρж - ρп))2/3; | (5.34) |
2) при кипении на поверхностях, погруженных в большой объем жидкости (испарители):
| (5.35) |
ρп – плотность пара, кг/м3, определяется следующим образом:
 ,
| (5.36) |
где р и Т – рабочие давление и температура,
ро и То – давление и температура при нормальных условиях (0,1 МПа, 273 К),
ρж – плотность жидкости, кг/ м3;
Мп – мольная масса пара, кг/ кмоль.
В (5.33) - (5.34) все теплофизические характеристики жидкости следует определять при температуре кипения, соответствующей рабочему давлению.
5.3.6 Уточненный коэффициент теплопередачи.
При уточненном расчете определяется общий коэффициент теплопередачи k, который определяется по следующему выражению:
 ,
| (5.37) |
где αтр и αмтр - коэффициенты теплоотдачи на внутренней и наружной поверхностях трубок;
Sст - толщина стенки трубы, мм;
λст - теплопроводность материала (приложение 2Л), Вт / (м·К);
Rз– суммарное тепловое сопротивление загрязнений (приложение 2М), Вт/(м2 
К).
Тогда уточненная (требуемая) поверхность теплообмена составит
 ,
| (5.38) |
Важно, чтобы уточненная поверхность была не более поверхности, которая принята по каталогу в проектном расчете (Fут ≤ Fкат). При этом запас поверхности должен быть не менее 10 %
 ,
| (5.39) |
Это позволит в процессе эксплуатации заглушать до 10% дефектных трубок без снижения эффективности последующей работы теплообменника. Излишний запас поверхности (более 50%) свидетельствует о нерациональном применении теплообменника.
Если условие (5.38) не выполняется, то следует проанализировать теплоотдачу в трубном и межтрубном пространстве. Одной из причин является недостаточная скорость потока. Поэтому при выборе из каталога другого аппарата необходимо обратить внимание на возможность уменьшения проходного сечения в том пространстве аппарата, где она меньше. Например, можно увеличить число ходов, уменьшить диаметр кожуха с одновременным увеличением длины трубок, уменьшить расстояние между поперечными перегородками в межтрубном пространстве, изменить размер трубок или способ их размещения. Если поверхность недостаточна, также можно применить сдвоенный теплообменник, в котором аппараты соединены последовательно. После выбора другого аппараты выполняется пересчет коэффициента теплопередачи.
Таким образом, тепловой расчет теплообменника включает:
– приближенную оценку необходимой поверхности теплообмена с использованием ориентировочного коэффициента теплопередачи (проектировочный расчет);
– уточненный расчет с использованием уравнений вида (5.15) – (5.39).