§ 7.2. Водоводяные теплообменники с движением воды в трубах и вдоль трубных пучков в межтрубном пространстве

Такие водоводяные теплообменники (рис. 7.3) тепловых пунктов систем теплоснабжения, охладители конденсата и продувочной воды, как правило, работают при турбулентном движении воды, т. е. при числах Re более 10000. При продольном смывании поверхности нагрева число Re определяется по формуле

Re =  ,

где  − средняя скорость воды, м/с;  − кинематический коэффициент вязкости, м²/c; d_г  − гидравлический диаметр поперечного сечения потока, м.

Гидравлический диаметр при движении воды внутри трубок равен их геометрическому диаметру, а при продольном движении в межтрубном пространстве он определяется по формуле

d_г = 4 ,

где  − площадь поперечного сечения потока, м²; U − смачиваемый периметр сечения, м. Значение кинематического коэффициента вязкости определяется для средней температуры воды в теплообменнике. Коэффициенты теплоотдачи от греющего теплоносителя к стенке трубы и от стенки трубы к нагреваемому теплоносителю в водоводяных теплообменниках определяются по формуле (турбулентный режим)

Nu_df = 0,021 (7.8)

где Nu_df =  _f; Re_f =  / ; Pr =  /a; индекс f означает среднюю температуру теплоносителя; w − среднюю температуру стенки трубы.

Из уравнения (7.8) следует расчетная формула для

Эта формула может быть представлена в следующем упрощенном виде

, (7.9)

где  − коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²∙К);  − скорость потока, м/с;  − плотность жидкости, кг/м³; d_Г − гидравлический диаметр, м; B₁ − коэффициент, объединяющий, комплекс величин, зависящих только от температуры воды.

tвод,°С	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140	150
B1	5,53	6,25	6,92	7,57	8,16	8,74	9,30	9,84	10,35	10,81	11,18	11,58	12,0	2,36	12,71

В формулу (7.9) входит число Прандтля Рr_w, которое определяется при температуре стенки. Так как в начале расчета эта температура неизвестна, то расчет надо вести методом последовательных приближений. В расчете первого приближения отношение /Рr_w принимают равным единице и определяют значения со стороны греющего и нагреваемого теплоносителей. Затем подсчитывают коэффициент теплопередачи k по формуле (7.6) и плотность теплового потока q, Вт/м² по формуле q = k·∆t_ср, где температурный напор ∆t_ср находится по формуле (7.4).

Температура стенки определяется из уравнения Ньютона - Рихмана q =  ): а) со стороны греющего теплоносителя q/ ; б) со стороны нагреваемого теплоносителя

Зная t_w, повторным расчетом уточняют значения и по формуле (7.9). Обычно приходится производить один уточняющий расчет. Здесь  − коэффициент теплоотдачи соответственно со стороны греющего и нагреваемого теплоносителя.

Для ориентировочных тепловых расчетов водоводяных теплообменников при Re > 10000 можно пользоваться упрощенной формулой

Nu = 0,023· . (7.10)

В этом уравнении все величины определяются при средней температуре теплоносителя, и нет необходимости выполнять расчет Рr_w методом последовательных приближений по температуре стенки t_w. Из уравнения (7.10) получается расчетная формула для [см. пояснение к формуле (7.9)]:

(7.11)

где коэффициент В₂ определяется для средней температуры воды:

t,оС	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140	150
В2	5,63	6,47	7,20	7,95	8,62	9,26	9,91	10,54	11,13	11,65	12,09	12,55	13,06	13,48	13,88

Для охлаждаемого (греющего) теплоносителя формула (7.11) дает несколько завышенное значение (от теплоносителя к стенке). Если при расчете с использованием формулы (7.10) поверхность нагрева теплообменника подобрать затруднительно, то расчет следует уточнить с использованием формулы (7.9).

При расчете k и F водоводяных теплообменников значения толщин слоев загрязнений накипью принимают по табл. 7.1.

Значения толщин слоев загрязнений трубок теплообменников

Таблица 7.1

Среда	Материал труб	Толщина слоя загрязнений, мм	Вт/(м∙К)
Сырая вода Сетевая вода Конденсат и химически очищенная вода	Латунь, cталь Латунь, cталь Латунь Сталь	До 0,5 До 0,3 0,0 0,3	Загрязнения – 2,3 Латуни – 105 Стали – 58

Допустимое загрязнение поверхности нагрева накипью определяет длительность периода эксплуатации теплообменника между чистками. Большие значения допустимых загрязнений в расчетах принимать не следует, так как это приводит к излишнему увеличению поверхности нагрева теплообменников. Расчетную поверхность теплообменника определяют по среднему диаметру труб.

Для переходного режима движения воды (2300 > Rе_f >10⁴) коэф­фициенты теплоотдачи рассчитываются по формуле (7.9) или (7.11), но с введением поправочного понижающего коэффициента φ₁, значения которого приводятся ниже:

Ref	2100	2200	2300	2400	2500	4000	5000	6000	8000	10000
φ1	0,200	0,273	0,320	0,358	0,400	0,550	0,645	0,812	0,885	0,96÷1,00