Учебное пособие 800409

Для случая Z 2300 при пленочной конденсации полагают, что режим течения пленки изменился от ламинарного к смешанному (одновременно присутствуют и ламинарные и турбулентные участки течения). В этом случае при неподвижном паре средний коэффициент теплоотдачи на вертикальной плоской поверхности можно определять по формуле Д.А. Лабунцова [2]:

где ReK t h - критерий Рейнольдса для конденсации;

rЖ Ж

- среднее значение коэффициента теплоотдачи, из формулы (73), Вт/(м2∙К);

t tC tH - температурный напор «стенка - насыщенный пар».

При значениях w2П П 1 необходимо учитывать влияние скорости движения пара на теплоотдачу, а коэффициент теплоотдачи, , Вт/(м2∙К), рекомендуется определять как [2]:

где Н - коэффициент теплоотдачи для неподвижного пара, определяемый для соответствующих условий по формулам (73), (74);

dН - наружный диаметр трубы.

При конденсации различных паров неметаллических жидкостей на внешней поверхности одиночной горизонтальной трубы при ламинарном режиме течения пленки конденсата коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

Коэффициент теплоотдачи, , Вт/(м2∙К), при конденсации пара внутри горизонтальных труб из [2]:

61

l - длина трубы.

При конденсации чистого пара на трубных пучках с шахматным расположением труб с достаточной степенью точности можно использовать формулу

(75).

Большое количество формул для определения коэффициентов теплоотдачи при конденсации в различных условиях приведено в [1], [2], [3], [7].

Все приведенные выше формулы применимы для случая конденсации насыщенного пара. При конденсации перегретого пара и небольших температурах перегрева допускается использование вышеперечисленных формул, но вместо rЖ подставляют величину:

гдеtП - температура перегретого пара;

tН - температура насыщения пара (по давлению в ТОА); сП - теплоемкость перегретого пара.

Приведенные формулы применяются для определения коэффициентов теплоотдачи при конденсации на чистых гладких поверхностях (чистые латунные и медные трубы, зачищенные до блеска стальные трубы). Для окисленных, но не очень загрязненных труб (например, нормальные стальные трубы), значения коэффициентов теплоотдачи следует принимать на 15-20 % ниже расчетных.

3.4.11. Сложный теплообмен

Разделение общего процесса переноса теплоты на элементарные явления

– теплопроводность (кондукция), конвекция и тепловое излучение (радиация) – производится в основном для удобства изучения тепломассообмена. В действительности же эти явления протекают одновременно и в определенной мере влияют друг на друга.

62

В практических расчетах разделение сложных процессов на элементарные явления не всегда возможно и целесообразно. Обычно поступают следующим образом. Выбирают одно явление, чей вклад в общую картину полагают наиболее значимым, и ему приписывают результат совокупного действия отдельных элементарных явлений. Влияние же остальных (второстепенных) явлений сказывается лишь на количественной характеристике основного.

Процесс переноса теплоты между потоком излучающего газа и стенкой является результатом совокупного действия конвективного теплообмена и теплового излучения: это так называемый сложный теплообмен. Здесь в качестве основного явления обычно принимается конвекция. Количественной характеристикой процесса является коэффициент теплоотдачи, , Вт/(м2∙К):

где К - учитывает действие конвекции и теплопроводности;

Л - действие теплового излучения.

Впрактических расчетах лучистую составляющую теплообмена прини-

мают во внимание при взаимодействии потока газа и стенки при высокой температуре (от 300 0С и выше).

Тепловой поток при лучистом теплообмене, qЛ , Вт/м2:

63

где С - степень черноты стенки (выбирается по справочным данным из [2], [3], [7], [10] по ориентировочной температуре стенки и материалу);Г - степень черноты газового объема.

Как показывают исследования [1], газы обладают способность испускать

ипоглощать лучистую энергию. Для любого из чистых газов эта способность индивидуальна. Одно и двухатомные газы (азот, кислород, водород) практически диатермичны, т.е. их излучающая и поглощающая способность очень мала

иможет быть принята равной нулю. Газы с большим количеством атомов в молекуле (водяной пар, аммиак, углекислый газ, окислы азота и пр.) обладают уже значительной способностью к поглощению и излучению тепловой энергии.

Наибольший интерес в теплотехнических расчетах представляют углекислый газ и водяной пар, поскольку они входят в состав продуктов сгорания органического топлива. Определение поглощательной и излучательной способности каждого из газов в связи со сложностью в практических расчетах не применяется. С достаточной степенью точности можно использовать понятие степени черноты всего газового объема , Г , который согласно [2] подчиняется

следующей зависимости:

где pГ pCO2 pH2O - суммарное парциальное давление углекислоты и водя-

ных паров;

kГ - коэффициент ослабления лучей дымовыми газами, определяется по эмпирической зависимости:

TГ - средняя температура газового объема;

lГ - эффективная длина луча или эффективная толщина излучающего слоя, в общем случае выбирается по следующим рекомендациям:

- слой газа между двумя бесконечными плоскопараллельными пластинами, на расстоянии друг от друга, м:

lГ 1,8 ,

64

- межтрубное пространство трубного пучка с трубками диаметром d, поперечным шагом труб S1 , продольным шагом S2 и при усло-

вии ld 50

Формулы (80)-(82) справедливы только для случая незапыленных газовых объемов. При наличии пыли необходимо учитывать дополнительные потери лучистой энергии на частицах пыли.

3.5. Тепловой проверочный расчет рекуперативных ТОА

Целью теплового проверочного расчета является проверка способности выбранного стандартного или спроектированного аппарата работать в заданных условиях.

В качестве критерия работоспособности обычно выбирают конечные температуры теплоносителей. Исходными данными являются начальные температуры ТН, теплопроизводительность ТОА, средний коэффициент теплопередачи в ТОА, расходы каждого из теплоносителей. Для стандартных теплообменников многие исходные данные для проверочного расчета можно взять из технического паспорта на аппарат.

Для случая простых схем движения теплоносителей и при условии постоянства их теплофизических свойств используются следующие соотношения.

Теплопередача без изменения агрегатного состояния теплоносителей.

Вид формулы зависит от схемы движения теплоносителей: - при прямотоке:

65

Значения комплекса Пдля удобства вычислений сводятся в таблицу [3] в

- при противотоке

Значения комплекса Z для удобства вычислений сводятся в таблицу [3] в

Теплопередача, когда один из теплоносителей изменяет свое агрегатное состояние:

- кипение жидкости за счет тепла однофазного теплоносителя:

- нагрев жидкости за счет тепла конденсации пара:

В случае сложных схем движения теплоносителей или при значительном изменении свойств теплоносителей формулы (85)-(88) могут использоваться исключительно для ориентировочных расчетов. К тому же при неизвестных конечных температурах теплоносителей нельзя заранее определить точное значение коэффициента теплопередачи. В таких случаях проверочный расчет ведется методом последовательных приближений:

- задаются конечными значениями температур теплоносителей;

66

-проводится полный конструктивный расчет с определением площади поверхности теплообмена;

-если полученная площадь теплообмена совпадает с площадью проверяемого ТОА (или отличается от него не более чем на заданную величину), то расчет на этом заканчивается; выбранные ранее конечные температуры полагают действительными;

-в случае несовпадения площадей задаются новыми значениями конечных температур ТН и заново проводят расчет до полной сходимости.

3.6.Компоновочный расчет рекуперативных ТОА непрерывного действия

3.6.1.Кожухотрубные ТОА

При конструктивном тепловом расчете всегда предварительно выбирают размеры отдельных деталей и узлов проектируемого аппарата. Выбор основывается на ГОСТ 9929-82 «Аппараты теплообменные кожухотрубчатые стальные. Типы. Основные параметры и размеры».

Трубы. В ТОА химической и нефтехимической промышленности используют трубы (dНАР СТ , мм): 20×2; 25×2; 25×2,5 , а в энергетических ТОА -

трубы 14×1; 14×1,5; 16×0,75; 16×1; 16×1,5; 19×1; 22×2; 24×1; 32×4; 32×5; 38×2

мм и др. [17] Шаг труб (расстояние между центрами соседних труб) принимают из

условий прочности трубной решетки не менее 1,3 dНАР .

Толщина стенки трубы СТ 0,5 3,5мм.

Рабочая длина труб обычно составляет 2-4 м и редко превышает 5 м для аппаратов горизонтального исполнения и 6 м для вертикальных аппаратов.

При проектировании кожухотрубных выбирают размещение каждого из теплоносителей согласно следующим рекомендациям. В трубное пространство направляют теплоносители со следующими свойствами:

-с очень высокой или очень низкой температурой – во избежание больших тепловых потерь через кожух аппарата;

-с очень большим давлением или под вакуумом – для снижения механических нагрузок на корпус аппарата;

-в «жидкостно-жидкостных» аппаратах - теплоноситель с меньшим расходом или меньшим коэффициентом теплоотдачи;

-в «газо-жидкостных» ТОА с низким и средним давлением газа – жидкий теплоноситель;

-загрязненный теплоноситель – для удобства очистки;

-агрессивный теплоноситель – для защиты корпуса аппарата.

67

Общее количество труб аппарата, n, определяется из формулы для поверхность теплообмена, FТОА , м2:

гдеdСР - средний диаметр трубки. м; l - длина трубки, м.

Количество трубок в одном ходе аппарата, n0 , находится по расходу теплоносителя в трубном пространстве:

гдеG - расход теплоносителя, кг/с;

dВН - внутренний диаметр трубки, м;

w - скорость движения теплоносителя (по результатам теплового расчета или выбирается из соответствующих рекомендаций), м/с;

- плотность теплоносителя, кг/м3.

Рекомендуемые значения скорости ТН приведены в табл. 4 и составле-

ны из условия развитого турбулентного потока [17].

Количество ходов ТОА:

n0

которое потом округляется до ближайшего стандартного значения.

68

Для определения внутреннего диаметра кожуха аппарата полученное количество труб n необходимо предварительно разместить на трубной доске. Предпочтительными являются ромбическая и концентрическая (см. п. 3.4.3). Выбор между ними осуществляется согласно следующим рекомендациям [9].

Количество правильных шестиугольников, на которых может быть расположено n труб, при ромбической компоновке (рис. 11,а) определяется как:

При концентрической компоновке с количеством окружностей, равным m, можно разместить следующее число труб

Если n' n, то предпочтение следует отдать концентрической компоновке. В противном случае – выбирается ромбическая.

Расчетный внутренний диаметр корпуса ТОА, DВН , м, определяется по формуле:

где D' - диаметр наибольшей окружности при кольцевой разбивке трубных досок или наибольшая диагональ шестиугольника при ромбической компоновке, определяется по таблицам [3], [10] в зависимости от общего количества труб nи выбранного шага труб S, м;

k - кольцевой зазор между крайними и корпусом, мм (рекомендуется 6- 10 мм для аппаратов с приварными и зажатыми между фланцами трубными досками; в аппаратах с плавающей камерой определяется конструкцией и формой фланца плавающей камеры; в аппаратах с перегородками в межтрубном пространстве – из условия оптимальной скорости протекания теплоносителя через него); Необходимо учесть, что установка перегородок в трубном пространстве и

анкерных связей требуют определенного пространства и, соответственно, диаметр корпуса аппарата увеличивается.

Найденное значение DВН принимается равным значению ближайшего большего диаметра из стандартного сортамента (ряда) труб согласно ГОСТ 9929-82 после чего выполняется проверка правильности выбора числа ходов [9]. За окончательное значение Z принимается такое, при котором выполняется следующее соотношение:

69

DBH

Если это соотношение меньше 2 то число ходов необходимо уменьшить, при большем 4 – увеличить.

3.6.2. Змеевиковые ТОА

При расчете змеевикового ТОА определяют следующие размеры: - длина одного витка змеевика, lВИТ , м:

где l - общая длина трубы змеевика из формулы (89); n 1 если змеевик один, при большем количестве параллельно работающих витков (как на рис. 5) n берется равным этому количеству;

- высота змеевика, H, м:

3.6.3. Спиральные ТОА

Шаг спиралей, S, м, спирального ТОА можно определить следующим образом:

гдеb - ширина канала, м, (обычно принимается в диапазоне 6-15 мм);- толщина листа, м, (для стали - 2-8 мм).

Каждый виток спиралей строится по радиусам r1 и r2 , которые для первых витков равны (рис. 18):

70