Теплопередача в трубчатых водо-водяных теплообменниках

Водо-водяные теплообменники с движением воды в гладких трубах или вдоль гладких трубных пучков в межтрубном пространстве, как правило, работают при турбулентном движении воды, т.е. при числе Рейнольдса более 10000

Re = w_СР∙d_Г/n > 10000,

где w_СР – средняя скорость воды, м/с;

d_Г – гидравлический диаметр поперечного сечения потока, м;

n – кинематический коэффициент вязкости, м²/с.

Гидравлический диаметр при движении воды внутри трубок равен их диаметру, а при движении в межтрубном пространстве он определяется по формуле

d_Г = 4f/P,

где f – площадь поперечного сечения потока, м²;

P – смачиваемый периметр сечения, м.

При Re > 10000 коэффициенты теплоотдачи a₁ от греющего теплоносителя к стенке трубы и a₂ от стенки трубы к нагреваемому теплоносителю в водо-водяных теплообменниках определяется из критериального уравнения

Nu_ж = 0,021∙Re_ж^0,8∙Pr_ж^0,43, (3.8)

где Nu_ж = a∙d_Г/l – число Нуcсельта;

Re_ж = w∙d_Г/n – число Рейнольдса;

Pr_ж = n/a – число Прандтля.

Числа с индексом «ж» подсчитываются при средней температуре теплоносителя.

После вычисления правой части критериального уравнения, из критерия Нуссельта определяется искомый коэффициент теплооотдачи.

При конструкторском расчете водо-водяных подогревателей скорость воды в трубках принимают в пределах 0,5 – 3 м/с, а скорость воды в межтрубном пространстве определяют по расчету на основании диаметра кожуха и числа трубок при шаге трубок

S = (1,3 – 1,5)∙d_НАР,

но меньше d_НАР + 6 мм.

В трубчатых пароводяных подогревателях имеет место пленочная конденсация водяного пара на поверхности трубных пучков.

Коэффициент теплоотдачи от труб к воде, общий коэффициент теплопередачи в подогревателе и поверхность нагрева подогревателя подсчитываются по формулам и рекомендациям, приведенным выше для водо-водяных теплообменников.

Практические расчеты коэффициента теплоотдачи от пара к стенке трубы проводятся по следующим формулам:

1. При ламинарном течении пленки конденсата

a₁ = 1,163∙1,15∙А/(h∙Dt)^¼, Вт/(м²∙К).

2. При смешанном характере течения пленки (ламинарное сверху и турбулентное внизу)

a₁ = 1,163∙(0,16∙В + С/h∙Dt), Вт/(м²∙К),

где a₁ – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²∙К);

h – высота трубного пучка, м;

Dt – разность температур между паром и стенкой трубы, ^оС;

А,В,С – коэффициенты, выражающие значения комплекса величин, зависящих от температуры пленки конденсата, и определяемые по табл.3.2.

Средняя температура пленки конденсата подсчитывается по формуле

t_ПЛ = 0,5∙(t_П + t_С).

Температуру стенки трубы со стороны пара можно подсчитать по формуле

t_С = t_П – a₂∙(t_П – t_ВОД^СР)/(a₁ + a₂), (3.9)

где t_П – температура насыщенного пара при расчетном давлении в подогревателе, ⁰С;

t_ВОД^СР – среднеарифметическое значение температуры воды в трубах, ⁰С;

a₁ и a₂ – коэффициенты теплоотдачи соответственно от пара к стенке и от стенки к воде, Вт/(м²∙К).

Практически (так как величина коэффициента a₁ неизвестна) задаются температурой стенки t_С, ⁰С, предварительно по упрощенной форме

t_С = 0,5∙(t_П + t_ВОД^СР).

Таблица 3.2

Значения постоянных коэффициентов в формулах (3.10), (3.11) и (3.14)

В конце расчета после определения величины a₁ подсчитываются фактическое значение величины температуры t_С по формуле (3.9). Если расхождение между принятым и найденным значениями температур t_С превышает 5 %, то следует повторить расчет, задавшись новым значением температуры стенки.

Характер течения пленки конденсата (ламинарный или турбулентный) определяется по величине Dt. При Dt < Dt_КРИТ имеет место ламинарное течение пленки, при Dt > Dt_КРИТ – смешанное.

Для заданного значения коэффициента D (см. табл. 3.2) величина Dt_КРИТ определяется по формуле

Dt_крит = 395∙D/h.

Контрольные вопросы к разделу 3:

1. Назначение и устройство теплообменника.

2. Сформулируйте цели и задачи конструкторского и поверочного расчетов теплообменника.

3. Запишите уравнения теплового баланса и теплопередачи теплообменника.

4. Назовите основные преимущества противоточной схемы движения теплоносителей по сравнению с прямоточной.

Ключевые слова: прямоточная и противоточная схемы движения теплоносителей, теплопередача, теплообменник.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе проектирования котельных установок студенты изучают методы расчета тепловых отопительных, вентиляционных нагрузок, расходов теплоты на горячее водоснабжение и технологические нужды промышленных предприятий. Выполнение графической части проекта позволяет им познакомиться с принципиальной тепловой схемой производственно-отопительной котельной, тепломассообменным оборудованием, определением теплового баланса котлоагрегата.