Определение коэффициента теплоотдачи при конденсации паров

На практике встречаются два вида конденсации пара: пленочная и капельная. Как известно, интенсивность теплопередачи при капельной конденсации выше, так как пленка образующаяся при пленочной конденсации создает дополнительное термическое сопротивление. Капельная конденсация имеет место, когда поверхность несмачиваема. Чтобы получить поверхность несмачиваемой ее покрывают специальным составом (элеатом меди или цинка). В промышленных теплообменниках имеет место смешанная капельно-пленочная конденсация. При пленочной конденсации насыщенного пара на наружной поверхности труб и ламинарном стекании пленки конденсата под действием силы тяжести коэффициент теплоотдачи a, Вт/(м²×К), находится по следующим уравнениям [1]:

· для вертикальных трубчатых теплообменных аппаратов [6]

(2.34)

или

; (2.34а)

· для горизонтальных теплообменников [6]

(2.35)

или

; (2.35а)

· для горизонтальных теплообменников с оребренными трубами

, (2.36)

где r - плотность конденсата, кг/м³; Н - высота труб, м; - разность температур между температурой насыщения пара и температурной стенки труб , °С: ; - разность энтальпий пара и конденсата, Дж/кг; l - коэффициент теплопроводности конденсата, Вт/(м×К); m - коэффициент динамической вязкости конденсата, Па×с; - поправочный коэффициент, учитывающий переменность теплофизических свойств вдоль поверхности теплообмена.

, (2.37)

где , - коэффициенты динамической вязкости, Па×с, и теплопроводности конденсата, Вт/(м×К), определенные при температуре стенки; - поправочный коэффициент, зависящий от числа труб по вертикали и вида пучка.

, (2.38)

где - среднее число труб по вертикали для коридорного пучка и половина этого числа – для шахматного пучка.

, (2.39)

где n - общее число труб в теплообменнике; - коэффициент, учитывающий оребрение труб и определяемый по уравнению [7]

, (2.40)

где - общая наружная площадь оребренной поверхности трубы длиной 1 м, м²; - диаметр основного ребра, м; Е - коэффициент эффективности ребра. Для медных труб можно принять Е = 1; - площадь поверхности вертикальных участков ребер на длине трубы 1 м, м²

; (2.41)

- площадь поверхности горизонтальных участков ребер на длине трубы 1 м, м²

;

- высота ребра, м.

Особенности расчета ребристых теплообменников. Развитие поверхности теплообмена за счет оребрения наиболее целесообразно в тех случаях, когда коэффициент теплоотдачи одного из теплоносителей намного меньше другого т.е. a₁ >> a₂ или если термическое сопротивление стенки значительно меньше конвективных термических сопротивлений.

.

В первом случае оребряется поверхность со стороны теплоносителя с меньшим a, добиваясь соотношения a₁F₁»a₂F₂, а во втором случае организуется двустороннее оребрение причем стремятся к соблюдению условий:

,

где и - коэффициент оребрения поверхностей нагрева.

Показателем компактности теплообменных аппаратов является отношение площади его теплопередающей поверхности к занимаемому объему. И если у кожухотрубчатых теплообменников этот показатель лежит в пределах 18-20 м²/м³, то у трубчатых ребристых он составляет 300-575 м²/м³ и у пластинчато-ребристых – от 600 до нескольких тысяч квадратных метров на кубический метр. Таким образом, применение ребристых поверхностей позволяет повысить компактность теплообменных аппаратов и их удельную, отнесенную к единице объема тепловую мощность. Оребрение выгодно еще и тем, что развитие поверхности осуществляется за счет более тонких, чем теплопередающая стенка, ребер, которые испытывают механических напряжений, обусловленных разницей давлений внутри и снаружи труб.

Особенностью расчета ребристых теплообменников является то, что при расчете коэффициента теплопередачи необходимо учитывать термическое сопротивление ребер. Это сопротивление вызывает отличие средней температуры поверхности ребра – от температуры гладкой части поверхности стенки . Поэтому коэффициенты теплоотдачи на стенке a_ст и на поверхности ребер a_р могут быть различными.

Общий тепловой поток, отдаваемый от ребристой поверхности к среде, будет определятся уравнением

, (2.45)

где t_o – средняя температура нагреваемой среды.

(2.46)

,

где a_ср – средний коэффициент теплоотдачи оребренной поверхности, не учитывающий термическое сопротивление ребер; - коэффициент полезного действия (эффективности) ребра.

Для прямоугольных ограниченных ребер

, (2.47)

где mh – параметр ребра; ; h – высота ребра

Если ребра труб в виде проволочной спирали

, (2.48)

где h, t, d_пр – высота ребра, шаг между витками проволоки, диаметр проволоки соответственно.

Для круглых ребер

, (2.49)

где d_р – диаметр ребра.

Коэффициент теплоотдачи ребристых теплообменников находится по уравнению

, , (2.50)

где y – коэффициент оребрения.

В случае определения коэффициента теплоотдачи пластинчато-ребристых ТА соотношения между a_пр и a_ср следующие

, (2.51)

где F_п = F_р + F_тр – полная площадь оребренной поверхности; F _р – площадь поверхности ребер; F_тр – площадь поверхности межреберных промежутков.

После определения коэффициента теплопередачи K рассчитывается площадь поверхности теплообмена , м²:

6. Проводится сопоставление расчетного значения со значением площади теплообмена нормализованного теплообменника .

Если выполняется условие

Тогда тепловой расчет теплообменника заканчивается. В противном случае необходимо выбрать другой вариант теплообменного аппарата и расчет повторить.

Дата добавления: 2014-01-20