Определение температур стенок.

В большинстве критериев для расчета коэффициентов теплопередачи (3.26 – 3.37) входит критерий подобия , расчет которого связан с необходимостью определения средних температур стенок. Для их определения используется метод последовательных приближений, основанный на законе сохранения энергии:

(3.48)

из чего следует:

(3.49)

(3.50)

Порядок определения температур стенок:

1. В первом приближении принимается, что температуры стенок и равны между собой и рассчитываются по формуле:

(3.51)

2. Рассчитываются соответствующие критерии для горячего и холодного теплоносителя и после этого по соответствующим уравнениям рассчитываются критерии Nu’ и затем коэффициенты теплоотдачи и .

3. С учетом термических сопротивлений стенки и загрязнений рассчитываются коэффициент теплопередачи в первом приближении K’ (по уравнению 3.22).

4. Проводят второе приближение, в соответствии с которым по уравнениям 3.49 и 3.50 рассчитываются соответствующие температуры стенок:

5. После этого расчет повторяют с п.2 по п.3, в результате чего получают коэффициент теплопередачи во втором приближении K”.

6. Сравнивают K’ и K” между собой:

(3.54)

Если , то значение коэффициента теплопередачи K” принимается за окончательное, в противном случае расчет повторяют, начиная с п.2.

Пересчетов можно избежать, если для опреде­ления t_cт или q воспользоваться графическим мето­дом. Он заключается в построении (перед расчетом К) так называемой нагрузочной харак­теристики проектируемого теплообменного аппарата.

Так, например, если коэффициенты теплоотдачи по обе стороны стенки зависят от соответствующей температуры стенки, то, задаваясь рядом значений t_ст1, вычисляют α₁ и находят соответствующие значе­ния ), где t₁— средняя температура одного теплоносителя. По величине термического сопротивления стенки рассчитывают температуру стенки с другой ее стороны ,определяют α₂ и , где t₂ — сред­няя температура другого теплоносителя.

Строя график зависимости q₁ и q₂ от принятых значений t_CT1, или нагрузочную характеристику (рис. 3.8), по точке пересечения кривых q₁= f₁(t_CT1) и q₂= f₂(t_CT2) определяют удельную теп­ловую нагрузку q. Тогда коэффициент теплопере­дачи

Рис. 3.8 Построение нагрузочной характеристики теплообменника.

Определив К, находят величину поверхности теплообмена по общему уравнению теплопередачи 1.5.

 

3.7 Возможные упрощения при расчете коэффициентов теплопередачи по критериальным уравнениям (3.26 – 3.37).

 

1.У капельных жидкостей с возрастанием температуры критерий Pr уменьшается. Вследствие этого, для капельных жидкостей при их нагревании, т.е. когда отношение , а при охлаждении, т.е. когда , отношение . На этом основании при проектировании теплообменников допускается, при расчете коэффициентов теплоотдачи для нагревающихся жидкостей, принимать отношение , допуская при этом незначительную погрешность в сторону уменьшения коэффициента теплоотдачи, что соответствует увеличению запаса поверхности теплопередачи. Для охлаждающихся жидкостей этого делать нельзя.

2. Для газов в большинстве случаев, как при нагревании, так и при охлаждении, т.к. критерий Pr для газов практически не зависит от давления и температуры. Кроме того, для многоатомных газов Pr=1, что в значительной мере упрощает критериальное уравнение.

 

МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА

 

При подборе нормализованных вариантов конструкции теплообменных аппаратов необходимо ориентироваться на достижение возможно более высоких значений коэффициентов теплопередачи, что в конечном итоге приводит к возможному уменьшению необходимой поверхности теплопередачи со всеми вытекающими отсюда последствиями. Рекомендуется, по возможности, на первом этапе подбирать не один аппарат, а сразу несколько, чтобы на стадии оценки гидродинамических режимов течения теплоносителей выделить из них для уточненного расчета наиболее перспективные, для которых .

При таком подборе нормализованного варианта конструкции необходимо уточнять действительную скорость течения теплоносителя для сравнения с предельно допустимым ее значением, определяемым по справочным данным.

Схема расчета теплообменника представлена в приложении (Рис. 1).

 

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ

Целью расчета тепловой изоляции является определение толщины слоя теплоизоляционного материала, покрывающего наружную поверхность теплообменника с целью снижения тепловых потерь и обеспечения требований безопасности и охраны труда при обслуживании теплоиспользующих установок. С этой точки зрения температура поверхности слоя изоляции не должна превышать 45⁰с. Расчет толщины теплоизоляционного слоя материала можно проводить по упрощенной схеме, используя следующие уравнения:

(5.1)

(5.2)

т.к. , то из этого следует:

(5.3)

здесь и - соответственно тепловой поток от наружной поверхности слоя изоляции в окружающую среду и тепловой поток теплопроводностью через слой изоляции, Вт;

- коэффициент теплоотдачи в окружающую среду (воздух), Вт/м²К;

, - соответственно толщина (в м) и коэффициент теплопроводности материала изоляции, Вт/м²К;

, , - соответственно температуры наружной стенки аппарата, окружающей среды и наружной поверхности теплоизоляционного слоя, ⁰с.

Коэффициент теплоотдачи, который определяет суммарную скорость переноса теплоты конвекцией и тепловым излучением для аппаратов, находящихся в закрытых помещениях, при температуре поверхности до 150⁰с можно рассчитать по приближенному уравнению:

(5.4)

здесь

Для расчета толщины тепловой изоляции по уравнению (5.4) допускается принять, что , т.к. термическим сопротивлением стенки кожуха допускается пренебречь и принять температуру стенки кожуха равной температуре среды (т.е. теплоносителя) в межтрубном пространстве. Среднегодовая температура окружающего воздуха в закрытом помещении составляет 25⁰с (принимается условно).

Порядок расчета тепловой изоляции:

1. По справочным данным подбирается теплоизоляционный материал.

2. Задаются значениями температур: , , .

3. Рассчитывается значение коэффициента теплоотдачи (по уравнению 5.4)

4. По уравнению 5.3 рассчитывается толщина тепловой изоляции.