Определение истинных значений удельного теплового потока, коэффициента теплопередачи, температур стенок и поверхности
Теплопередачи
3.6.1 Метод построения зависимости удельного теплового потока от температуры стенки
Наиболее наглядным методом определения истинных значений удельного теплового потока, коэффициента теплопередачи и температур стенок является графический метод построения нагрузочной характеристики проектируемого аппарата.
С этой целью задаются рядом значений температуры стенки со стороны горячего теплоносителя 
в интервале от 
до 
,
где 
.
Затем для каждого значения температуры стенки по формулам (10-13) рассчитывают значения коэффициента теплоотдачи для конденсирующегося пара 
и удельного теплового потока из уравнения теплоотдачи по формуле
. (27)
По полученному значению удельного теплового потока 
, из уравнения теплопроводности
(28)
определяют соответствующий ряд значений температуры стенки со стороны нагреваемой жидкости для чистых труб
, (29)
а для загрязненных труб по формуле
, (30)
где 
– коэффициент теплопроводности материала трубок, Вт/м×К;
– толщина стенки трубок, м;
– коэффициент теплопроводности накипи, Вт/м×К;
– толщина слоя накипи, м;
– термическое сопротивление загрязнения, м2×К/Вт.
Для каждой температуры 
с учетом режима движения жидкости по критериальным уравнениям рассчитывают коэффициент теплоотдачи для жидкости 
по формулам (15,18,20-26) и удельный тепловой поток 
По результатам расчета строится график зависимости удельных тепловых потоков и от температуры стенки , как показано на рисунке 8.
Рисунок 8 – Зависимость удельного теплового потока
от температуры стенки
Точка пересечения кривых 
и 
дает истинное значение удельного теплового потока 
и истинное значение температуры стенки , по которым из равенства
можно определить истинные значения коэффициентов теплоотдачи
,
и температуры стенки
.
3.6.2 Метод графического решения зависимости коэффициента
теплопередачи от удельного теплового потока
Для вертикального кожухотрубчатого теплообменника, применяя формулы для расчета коэффициентов теплоотдачи 
(11) и 
(15,18,21-23,25,26), в зависимости от режима движения теплоносителя в трубном пространстве, выражают коэффициент теплопередачи 
, подставляя его в формулу удельного теплового потока (4)
и получают уравнение 
, решая которое графически, находят истинное значение удельного теплового потока, показанного на рисунке 9.
Рисунок 9 – Графическое определение истинного
значения удельного теплового потока
Так, выражение для коэффициента теплопередачи в вертикальном кожухотрубчатом теплообменнике запишется в виде:
– для турбулентного режима движения теплоносителя:
, (31)
а уравнение в виде
; (32)
– для переходного режима:
, (33)
; (34)
– для ламинарного режима:
, (35)
. (36)
Аналогично, применяя формулы (13,15,18,21-23,25,26), получают выражения для коэффициента теплопередачи и уравнения для горизонтального кожухотрубчатого теплообменника:
– для турбулентного режима:
, (37)
; (38)
– для переходного режима:
, (39)
; (40)
– для ламинарного режима:
, (41)
. (42)
3.6.3 Расчет истинного значения коэффициента теплопередачи и поверхности теплообмена
По найденному истинному значению удельного теплового потока рассчитывают истинное значение коэффициента теплопередачи
и поверхность теплообмена
.
3.7 Расчет истинных значений удельного теплового потока,
коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, температуры
стенок на ПК
Целью расчета является получение точных значений удельной тепловой нагрузки, коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и температуры стенок при заданной скорости движения раствора, а также исследование влияния скорости движения раствора на значение удельного теплового потока, коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи для конкретного случая нагревания раствора «глухим» насыщенным паром в теплообменнике.
3.7.1 В программе приняты следующие обозначения:
| А1 | – коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке, aI; |
| А2 | – коэффициент теплоотдачи от стенки к раствору, aII; |
| Z | – коэффициент теплопередачи, k; |
| G1, G2 | – удельный тепловой поток qI, qII; |
| Т1 | – температура стенки со стороны греющего пара, tcm1; |
| Т2 | – температура стенки со стороны раствора, tcm2; |
| Т3 | – температура конденсации пара, tканд; |
| Т4 | – средняя температура раствора, tII cр; |
| L1 | – коэффициент теплопроводности конденсата греющего пара, λк; |
| Р1 | – плотность конденсата, ρк; |
| М1 | – динамический коэффициент вязкости конденсата, μк; |
| R | – удельная теплота конденсации греющего пара, r; |
| Р2 | – плотность раствора, ρр; |
| С2 | – удельная теплоемкость раствора, с; |
| L2 | – коэффициент теплопроводности раствора, λр; |
| М2 | – динамический коэффициент вязкости раствора, μр; |
| D | – наружный диаметр трубок, d; |
| В3 | – толщина стенки трубок, δст; |
| L3 | – коэффициент теплопроводности материала трубок, λст; |
| В4 | – толщина слоя накипи, δн = 0,5 мм; |
| L4 | – коэффициент теплопроводности накипи, λн; |
| О | – термическое сопротивление загрязнений стенок трубок, м2×К/Вт
 ;
|
| W2 | – скорость движения раствора в трубках, w; |
| R2 | – критерий Рейнольдса, Re. |
Программа составлена для расчета теплообменников горизонтального типа.
Исходные данные, представленные в системе СИ, должны быть подготовлены на бланке, как показано в приложении А.
Для заполнения бланка необходимо из справочной литературы правильно выбрать физико-химические константы для конденсата греющего пара при рабочем давлении греющего пара и нагреваемого раствора.
3.7.2 Инструкция оператора
Зайти на диск М:\Dosapp\Upprog\MAXP\PAХТ\ТЕРLОLab_07.exe, cкопировать на диск D: файл Lab_07.exe, начать расчет.
3.7.3 Контрольный пример
3.7.3.1 Задание
Определить значения удельного теплового потока, коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, температуры стенок в горизонтальном трубчатом теплообменнике для нагревания раствора гидроксида натрия концентрацией 20 % «глухим» насыщенным водяным паром при заданной скорости движения раствора в трубах теплообменника при следующих условиях:
давление греющего пара – 0,202 МПа;
температура конденсации пара – 120 °С;
начальная температура раствора NaOH – 20 °С;
конечная температура раствора NaOH – 80 °С;
диаметр трубок – 38×3 мм;
материал трубок – Ст3, учесть наличие слоя накипи толщиной 0,5 мм загрязнение поверхности трубок – 
м2×К/Вт.
Для исследования влияния скорости движения раствора в трубках на процесс теплопередачи выбирать предельное значение скорости 3 м/с.
3.7.3.2 Определение среднего температурного напора
 | |||
 |
Поскольку 
> 2, для расчета применить формулу (7):
.
3.7.3.3 Определение средней температуры нагреваемого раствора
°С.
3.7.3.4 Выбор физико-химических констант произвести для конденсата греющего пара при 120 °С, для нагреваемого раствора NaOH при 54,52 °С.
Исходные данные для расчета:
| L1 | – коэффициент теплопроводности конденсации греющего пара, λк = 0,686 Вт/(м2×К); |
| L2 | – коэффициент теплопроводности раствора NaOH, λр = 0,557 Вт/(м2×К); |
| L3 | – коэффициент теплопроводности стали, λст = 46,5 Вт/(м2×К); |
| L4 | – коэффициент теплопроводности накипи, λн = 2,0 Вт/(м2×К); |
| М1 | – динамический коэффициент вязкости конденсата, μк = 0,000231 Па×с; |
| М2 | – динамический коэффициент вязкости раствора NaOH, μр = 0,00182 Па×с; |
| Н | – высота трубок, м |
| В3 | – толщина стенки трубок, δст = 0,003 м; |
| В4 | – толщина слоя накипи, δн = 0,0005 м; |
| R | – удельная теплота конденсации греющего пара, r = 2208000 Дж/кг; |
| О | – термическое сопротивление загрязнений стенок трубок, Srзагр = 0,0002 м2×К/Вт; |
| Р1 | – плотность конденсата, ρк = 943 кг/м3; |
| Р2 | – плотность раствора NaOH, ρр = 1198 кг/м3; |
| Т3 | – температура конденсации пара, tконд = 120 °С; |
| Т4 | – средняя температура раствора NaOH, tII cр = 54,52 °С; |
| D | – наружный диаметр трубок, d = 0,038 м; |
| С2 | – удельная теплоемкость раствора NaOH, с = 3684 Дж/(кг×К); |
| W2 | – скорость движения раствора NaOH в трубках, w = 1,5 м/с. |
3.7.3.5 Результаты расчета удельного теплового потока, коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи, температуры стенок при заданной скорости движения раствора NaOH приведены в приложении Б.