Коэффициент теплопередачи теплообменного аппарата

Коэффициент теплопередачи от горячей среды к холодной зависит от условий теплообмена со стороны каждой среды, а также от термического сопротивления стенкитеплопередающей поверхности

(2.48)

и термического сопротивления загрязнений.

(2.49)

Таким образом, полное термическое сопротивление равно:

(2.50)

где l, d – теплопроводность материала стенки, Вт/(м×°С), и ее толщина, м, соответственно; l_z – теплопроводность слоя загрязнений, Вт/(м×°С), и его толщина, м, соответственно.

При прочих равных условиях численное значение коэффициента теплопередачи зависит от того, к какой поверхности его относят, однако, поверхностные теплообменные аппараты обычно изготавливают из труб, отношение толщины стенок которых к диаметру В таких случаях коэффициент теплопередачи рассчитывается по формуле для плоской стенки

(2.51)

где a_г, a_х – соответственно, коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителей, Вт/(м×°С).

Коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителя определяются по соответствующим формулам, приведенным ниже..

Определение коэффициента теплоотдачи
при движении жидкости в трубах и каналах

В общем случае средний коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах или каналах рассчитывается по формуле:

(2.52)

В этом выражении число Нуссельта (Nu) определяется по следующим правилам:

· при ламинарном режиме (Re_f <2300) имеем:

(2.53)

· при турбулентном режиме (Re_f>10000) для расчета используют соотношение:

(2.54)

при переходном режиме (2300<Re_f<10000):

(2.55)

где K₀ – функция числа Re, значения которой приведены в табл. 1.

Таблица 1

Критерии Re, Pr и Gr в формулах (2.56)-(2.58) рассчитываются, соответственно:

(2.56)

(2.57)

(2.58)

где a – коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м²×°С); l – определяющий размер тела, м; l – теплопроводность жидкости, Вт/(м×°С);
n – кинематическая вязкость жидкости, м²/с; g – ускорение в поле тяготения, м/с²; а – коэффициент температуропроводности жидкости, м²/с;
b – температурный коэффициент объемного расширения, 1/К, (для газов
b =1/Т_f, для жидкостей значения берутся из справочной литературы);
w – скорость потока жидкости, м/с; Dt – разность температур [либо
Dt = (t_w-t_f ), либо Dt =(t_f-t_w), в зависимости от направления теплового потока], °С; t _w – температура поверхности тела, °С; t_г – температура жидкости за пределами пограничного слоя, °С.

Все физические величины, входящие в числа подобия (2.56)-(2.58) зависят от температуры, и значения этих величин рассчитываются при температуре, называемой далее определяющей.

В соответствии с этим числа подобия снабжаются индексами w, f или m [w – признак температуры твердой поверхности тела (т. е. определяющей температурой в этом случае является температура поверхности тела); f – температуры жидкости; m – среднего значения температуры].

За определяющий размер l при движении жидкости в трубах или каналах, принимают, соответственно, внутренний диаметр трубы d или эквивалентный d_экв:

(2.59)

где S – площадь проходного сечения канала, м² ; П – периметр этого сечения, м.

Формула (2.59), в случае движения жидкости в межтрубном пространстве, преобразуется к виду:

(2.60)

где D_вн – внутренний диаметр внешней трубы, м; d – внешний диаметр внутренней трубы,

В качестве определяющей температуры выбирается средняя температура жидкости t_f по длине, а за определяющую скорость – средняя скорость жидкости:

(2.61)

где G – массовый расход жидкости, кг/с; – плотность жидкости, кг/м³;
S – площадь поперечного сечения, м².