5. Гидравлический расчет теплообменных аппаратов

Задачей гидравлического расчета теплообменников является определение величины потери давления теплоносителя при прохождении его через аппарат. Потери давления пропорциональны гидравлическим сопротивлениям. Различают гидравлические сопротивления трению, обусловленные вязкостью жидкости и проявляющиеся лишь в местах безотрывного течения, и местные сопротивления. Последние обуславливаются различными местными сопротивлениями движению потока.

Подробно методика расчета гидравлических сопротивлений теплообменных аппаратов приведена в 1 и 2.

Гидравлическое сопротивление определяется по формуле

, (5.1)

где  – безразмерный коэффициент сопротивления трения;

 – коэффициент местных сопротивлений;

d – внутренний диаметр трубки или эквивалентный диаметр сечения, м;

l – длина трубки или пути теплоносителя, м;

w – средняя по сечению скорость теплоносителя на рассматриваемом участке, м/с;

 – средняя плотность теплоносителя, кг/м³.

Первый член в уравнении (5.1) выражает потери на трение, второй член – потери на местные сопротивления.

Сопротивление самотяги учитывается при вертикальном расположении теплообменного аппарата.

Коэффициент сопротивления  определяется по следующим формулам:

при ламинарном неизотермическом движении в гладких каналах

; (5.2)

при турбулентном неизотермическом –

. (5.3)

При продольном внешнем омывании труб сопротивление трения определяется также, как при движении в трубах. В качестве определяющего размера в расчете используется эквивалентный диаметр межтрубного пространства.

Коэффициенты местных сопротивлений для трубчатых теплообменных аппаратов приведены ниже.

Вход в межтрубное пространство под углом 90  к направлению движения в трубах; – 1,5.

Переход из одной секции в другую для межтрубного потока – 2,5.

Огибание перегородок, поддерживающие трубки – 0,5…1,0.

Поворот на 180  из одной секции в другую – 2,5.

Выход из межтрубного пространства под углом 90  – 1,0.

Удар и поворот во входной или выходной камера – 1,5.

Потери напора при входе и выходе из теплообменника определяют по скорости в патрубках.

6. Расчет толщины тепловой изоляции

Теплообменные аппараты, наружная стенка которых имеет температуру выше 50 С, после монтажа, наладки и приемки должны быть покрыты тепловой изоляцией.

Назначение тепловой изоляции:

1. Уменьшение потерь тепла.

2. Повышение производительности теплообменных аппаратов.

3. Создание нормальных санитарно-гигиенических и безопасных условий труда путем сохранения нормальной температуры в рабочих помещениях и предохранения обслуживающего персонала от ожогов.

4. Защита стенки корпуса аппарата от внешней коррозии.

Для определения толщины тепловой изоляции первоначально необходимо рассчитать полные потери тепла с поверхности теплообменного аппарата

,

где

q_к – плотность конвективного теплового потока, Вт/м²;

q_л – плотность теплового потока в лучистом теплообмене, Вт/м².

,

где

 – коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности теплообменника к воздуху;

t_ст= 50 – температура на внешней поверхности теплообменного аппарата, С;

t_ж= 20 – температура воздуха.

Коэффициент теплоотдачи рассчитывается по уравнениям подобия для свободной конвекции [5]. Характерный размер для вертикальных теплообменников – высота. Для горизонтальных теплообменников в первом приближении за характерный размер принимается внешний диаметр кожуха. Во втором приближении – внешний диаметр кожуха плюс две толщины изоляции.

Лучистый тепловой поток определяется по формуле

,

где _пр – приведенная степень черноты.

В нашем случае = 0,8-0,9.

Для определения толщины можно использовать уравнение стационарной теплопроводности через плоскую стенку:

,

где _из – теплопроводность теплоизоляционного материала, Вт/(мК);

_из – толщина слоя изоляции, м;

и – температуры на границах теплоизоляционного слоя.

Температуру с внутренней стороны изоляции (t_ст) можно принять равной средней температуре греющего теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве.