2.1.2. Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі конвекцією при русі теплоносіїв усередині труб і в міжтрубному просторі

2.1.2.1. Середня температура гарячого теплоносія t₁, ºС, та Т₁, К

, . (2.5)

2.1.2.2. Середня температура холодного теплоносія t₂, ºС, та Т₂, К

, . (2.6)

2.1.2.3. Середня дійсна швидкість гарячого теплоносія W₁, м/с

. (2.7)

2.1.2.4. Середня дійсна швидкість холодного теплоносія W₂, м/с

. (2.8)

Значення фізичних параметрів гарячого теплоносія при його температурі t₁, ( , м²/с; , ; ) вибирають з таблиці фізичних параметрів, що відносяться до продуктів горіння палива (дод.6).

Значення фізичних параметрів холодного теплоносія при його середній температурі t₂, ( ,м²/с; , ; ) вибирають з таблиці фізичних параметрів, що відносяться до сухого повітря (дод.7).

2.1.2.5. Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від гарячого теплоносія до стінки труби визначається за наступною методикою.

Число Рейнольдса для потоку гарячого теплоносія

. (2.9)

Визначальною температурою є середня температура гарячого теплоносія. Визначальний розмір вибирають згідно з такими умовами:

- якщо теплоносій рухається усередині труб, то d = d_в;

- якщо теплоносій обмиває трубний пучок зовні, рухаючись в поперечному напрямі (перехресна течія, двохходова перехресна прямотечія, двохходова перехресна протитечія), то d = d_з;

- при зовнішньому поздовжньому обмиванні труб в пучку (прямотечія, протитечія) можна вважати, що d = d_екв, де d_екв - еквівалентний діаметр у поперечному перерізі пучка труб. Його визначають за формулою

,

де f – площа поперечного перерізу елементарного каналу, утвореного суміжними трубами, м²;

Р –периметр за цим перерізом, м.

Після підстановки значень f і Р через задані геометричні параметри одержимо:

. (2.10)

Коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від гарячого теплоносія до стінки труби , , визначається так.

Якщо гарячий теплоносій рухається усередині труб або обмиває труби зовні, рухаючись уздовж них, то використовується наступне узагальнене критеріальне рівняння [4]:

. (2.11)

Визначальною температурою є середня температура рідини t₁, а визначальним розміром – внутрішній діаметр d_в (якщо середовище рухається усередині труб) або d_екв (якщо середовище обмиває труби зовні). При цьому d_екв знаходять за (2.10).

Числові значення емпіричного коефіцієнта С, та показників ступені m, n вибирають залежно від режиму руху теплоносія:

• для ламинарного режиму (Re_ж<2320)

С=0,15; n=0,33; m=0,1;

• для турбулентного режиму (Re_ж>10000)

С=0,021; n=0,8; m=0;

• для невизначеного режиму (2320<Re_ж<10000)

; m=0.

В останньому випадку показник В вибирають з дод. 8 залежно від значення Re_ж1 [3].

Значення числа Прандтля при температурі стінки Pr_ст для газових середовищ мало відрізняється від Pr_ж. Тому можна вважати, що

.

Температура стінки в цьому випадку

; . (2.12)

Число Грасгофа

, (2.13)

де g – прискорення сили тяжіння, м/с²;

d – визначальний розмір, м;

β –коефіцієнт теплового об'ємного розширення середовища, 1/К;

Δt –різниця середніх температур теплоносія та стінки, ºС.

Визначальна температура і визначальний розмір вибираються з урахуванням пояснень до рівняння (2.11).

Коефіцієнт об'ємного теплового розширення для газових середовищ розраховується за формулою:

, (2.14)

де Т₁ – середня температура газового середовища, К.

При поперечному обмиванні трубного пучка використовується критеріальне рівняння, що відноситься до глибинних рядів пучка труб [4] у вигляді

. (2.15)

При Re_ж<10³ для обох типів пучків труб необхідно приймати С=0,56; n=0,5.

При Re_ж>10³:

- для коридорних пучків труб С=0,26; n=0,65;

- для шахових пучків труб С=0,41; n=0,60.

Визначальною температурою є середня температура середовища, а визначальним розміром – зовнішній діаметр труб d_з.

За числом Нуссельта знаходять коефіцієнт тепловіддачі конвекцією α_1к, :

. (2.16)

В данному випадку d=d_в або d=d_екв або d=d_з.

Значення α_1к, середнє для всього пучка, треба визначати з урахуванням значень коефіцієнта тепловіддачі для перших двох рядів труб та числа глибинних рядів. В реальних теплообмінниках кількість глибинних рядів значно більше двох. Тому, нехтуючи деякою похибкою можна припустити, що . Таке припущення прийнятне ще тому, що число глибинних рядів невизначено.

Аналогічно визначається коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від стінки труби до холодного теплоносія α_2k, Вт/(м²·К).

Якщо холодний теплоносій рухається усередині труби або, рухаючись в поздовжньому напрямі, обмиває її зовні, то використовується критеріальне рівняння (2.11). Значення С, m, n вибирають залежно від числа Рейнольдса . Визначальною температурою при розрахунках і є середня температура холодного теплоносія t₂, а визначальним розміром – внутрішній діаметр d_в (якщо теплоносій рухається усередині труб), або d_екв (якщо теплоносій обмиває труби зовні). При цьому d_екв обчислюють за (2.10).

Якщо холодний теплоносій обмиває труби зовні, рухаючись в поперечному напрямі, використовується критеріальне рівняння (2.15), де значення С і n вибираються залежно від і типу пучка труб.

Згідно з одержаним значенням відповідно до (2.16) знаходять коефіцієнт тепловіддачі конвекцією α_2к. При цьому λ=λ_ж2; d=d_в або d=d_екв (при поздовжньому обмиванні пучка труб) і d=d_з (при поперечному обмиванні пучка труб).