Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи

1.6 Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи

Приближенным расчетом называется расчет коэффициентов  и К по формулам, не учитывающим влияние температуры стенки теплопередающей поверхности на интенсивность теплоотдачи [1].

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке вертикальных труб без учета температуры стенки рассчитывается по формуле [1, с. 24]:

, (5)

где G – массовый расход конденсирующегося пара, G = 6,24·10^-1 кг/с;

n – число труб в аппарате с наружным диаметром d, шт;

 – теплопроводность, плотность и вязкость конденсата при температуре конденсации.

По формуле (5)

 .

Режим движения воды в трубках аппарата:

 – турбулентный, так как Re>10⁴.

Для расчета процесса теплоотдачи в закрытых каналах при турбулентном режиме движения и умеренных числах Прандтля (Рr < 80) рекомендуется уравнение [1, с. 23]:

, (6)

где  – критерий Нуссельта;

 – критерий Рейнольдса;

 – критерий Прандтля;

– отношение, учитывающее влияние направления теплового потока (нагревание или охлаждение) на интенсивность теплоотдачи.

Отношение  принимаем равным 1, тогда по формуле (6):

, а

.

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара [2, табл. ХХХI]:

,

а со стороны воды [2, табл. ХХХI]:

,

,

.

Тогда

Или

,

где – сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений.

Так как теплообменная трубка тонкостенная (d_вн > ), то для расчета коэффициента теплопередачи применяют формулу для плоской стенки

 , (7)

где  – коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды,

;

– сумма термических сопротивлений.

По формуле (7)

.

Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле (1):

 м².

Площадь поверхности теплообмена выбранного теплообменного аппарата F=17,5 м² , что отвечает требуемой поверхности, т.е. для выполнения уточненного расчета оставляем ранее выбранный в ориентировочном расчете аппарат.

1.7 Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи. Окончательный выбор теплообменного аппарата

Уточненным называется расчет коэффициентов теплоотдачи с учетом температуры стенки.

Расчет температуры стенки ведем методом последовательных приближений.

Первое приближение.

Задаемся значением температуры стенки со стороны пара, равным = 100⁰С.

Расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации пара с учетом температуры стенки на пучке вертикальных труб будем вести по формуле [1, с. 24]:

 , (8)

где ,,, - плотность, теплопроводность, удельная теплота конденсации, динамическая вязкость пленки при ;  - разность температур стенки и конденсирующегося пара;

- длина труб.

Температура пленки: ⁰С.

Для  = 16,5 ⁰С:

 = 59,06·10^-2 Вт/(м·К);

 = 998,7 кг/м^3;

 = 2460,85 ·10³ Дж/кг;  = 1108 ·10^-6 Па·с.

По формуле (8):

 Вт/(м²·К).

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды [1, с.16]:

, (9)

По формуле (9):

 ⁰С.

При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]

(Рr_ст2 )_І= 2,48.

С учетом температуры стенки

;

.

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:

Сравнивая (q₁)_I с (q₂)_I, приходим к выводу, что 91571,5>>52088, поэтому расчет температуры стенки продолжаем, задаваясь другим значением температуры стенки со стороны пара.

Второе приближение

Задаемся температурой стенки со стороны пара (t_ст1)_II = 105 ⁰С.

Температура пленки: ⁰С, тогда  = 133-105 = 28 ⁰С

Для  = 14 ⁰С:

 = 58,46·10^-2 Вт/(м·К);

 = 999,2 кг/м^3;

 = 2467,6 ·10³ Дж/кг;

 = 1186 ·10^-6 Па·с.

По формуле (7):

 Вт/(м²·К).

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):

 ⁰С.

При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]

(Рr_ст2 ) = 2,158.

С учетом температуры стенки:

;

.

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:

И во втором приближении разница между (q₁)_ІІ и (q₂)_II более 5%

Расчет продолжаем, определяя t_ст1 графически по пересечению линий q₁=f(t_ст1) и q₂=f(t_ст2)

По найденному графически температуре (t_ст1)_ІІІ=104,15С выполняем третий, проверочный расчет.

Температура пленки: ⁰С, тогда  = 133-104,5 = 28,85 ⁰С

Для  = 14,425 ⁰С:

 = 58,56·10^-2 Вт/(м·К);

 = 999,15 кг/м³;

 = 2466·10³ Дж/кг;

 = 1173 ·10^-6 Па·с.

По формуле (7):

 Вт/(м²·К).

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):

 ⁰С.

При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]

(Рr_ст2 )= 2,1.

С учетом температуры стенки:

;

.

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:

Сравнивая (q₁)_III с (q₂)_ІІІ, приходим к выводу, что отклонение

т.е. не превышает 5%, поэтому расчет можем считать законченным.

Удельные тепловые потоки по обе стороны стенки равны (рис.2)

Рис. 2 Схема процесса теплопередачи

По формуле (7) коэффициент теплопередачи:

.

Площадь поверхности аппарата определяем по формуле (1):

 м²,

По [1, табл. 1.8] ГОСТ 15122-79 окончательно выбираем двухходовой аппарат диаметром d=325 мм, с числом труб n = 56 шт, с длиной теплообменных труб L = 4000 мм и F = 17,5 м².