Коэффициент теплопередачи

Тепловой расчёт теплообменников

 

Методика расчёта: см. Учебное пособие с.41-45

 

Цель – определить поверхность нагрева теплообменника (из уравнения теплопередачи)

Основной закон теплопередачи  Q = k·F·∆t,

Q – тепловой поток (теплопроизводительность), Вт,

k  – коэффициент теплопередачи, Вт/(м·К),

F – поверхность нагрева (теплообмена), м², 

∆t – среднелогарифмический температурный напор.

 

Тепловая нагрузка Q определяется, как правило, по стороне нагреваемой среды и представляет собой правую часть уравнения теплового баланса:

,

 

G – массовый расход, кг/с,

С_р – теплоёмкость, Дж/(кг∙К),

t_вх, t_вых – температура на входе и на выходе, °С,

η – коэффициент сохранения тепла (КПД).

Индекс «1» – греющая среда, «2» – нагреваемая среда.

 

Для процессов, протекающих с изменением агрегатного состояния одного из теплоносителей (например, пара – парожидкостный теплообменник):

,

D – расход пара, кг/с,

r – скрытая теплота парообразования (конденсации), Дж/кг – определяется по давлению (температуре) насыщенного пара.

Коэффициент теплопередачи

– коэффициенты теплоотдачи соответственно от греющей среды к стенке и от стенки к нагреваемой среде, Вт/(м²·К),

δ – толщина стенки, м,

 – теплопроводность материала стенки, Вт/(м·К).

Коэффициенты теплоотдачи рассчитываются через критерий Нуссельта , который в свою очередь определяется из критериальных уравнений, представляющих в общем виде некоторую функцию:

,

где Re, Pr, Gr – критерии подобия Рейнольдса, Прантля и Грасгофа, определяющиеся из заданных условий.

    Для парожидкостных теплообменников коэффициент теплоотдачи от пара к стенке определяется по формуле Нуссельта (с поправкой Михеева):

   С – эмпирический коэффициент, который зависит от расположения труб;

  ρ, λ, ν  –  плотность, теплопроводность и кинематическая вязкость пленки   

                    конденсата;

     t_н, t_c – соответственно температура насыщенного пара и стенки;

  l_опр – определяющий размер (высота или наружный диаметр трубок –              

            в зависимости от их расположения).

Для газо-газовых теплообменников формула для определения коэффициента теплопередача упрощается в связи с тем, что можно пренебречь термическим сопротивлением стенки:

.

     У газо-жидкостных теплообменников коэффициент теплопередачи равен коэффициенту теплоотдачи с газовой стороны, поскольку можно пренебречь термическим сопротивлением и стенки, и теплоотдачи со стороны жидкости: k = α_г.

Среднелогарифмический температурный напор определяется как

 ,

– определяются из температурного графика

               (в зависимости от схемы движения теплоносителей)

 

В парожидкостных теплообменниках температура греющей среды (насыщенного пара) постоянна, и график температурного напора выглядит следующим образом:

 

 

 

 

В некоторых жидкостно-жидкостных теплообменниках (например, в маслоохладителе) практически не изменяется температура охлаждающей воды – внизу горизонтальная линия:

 

В общем случае, температурный напор определяется схемой движения теплоносителей (прямоток или противоток):

                                                    Прямоток        

 

                                                    Противоток

 

 

    После определения тепловой нагрузки, коэффициента теплопередачи и температурного напора из уравнения теплопередачи определяется поверхность нагрева.