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 tcт 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 tст1, 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 tCT1, или нагрузочную характеристику (рис. 3.8), по точке пересечения кривых q1= f1(tCT1) и q2= f2(tCT2) 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.