Расчет и конструирование охладителей

Рис.260. Формы теплообменных поверхностей пластинчатых аппаратов:

Если использовать средние значения коэффициентов тепло­передачи и температурного напора, то уравнение теплопереда­чи для непрерывных процессов примет вид

(174)

где k - средний постоянный для поверхности F коэффициент те­плопередачи; ΔT -средний по поверхности F температурный напор между теплоносителями.

Вид расчетной формулы для определения среднего темпера­турного напора ΔT зависит от направления взаимного движе­ния рабочих сред. При использовании противотока температу­ра охлаждающей среды приближается к максимальной темпе­ратуре охлаждаемой среды. При использовании прямотока охлаждающий теплоноситель не может иметь температуру больше минимальной температуры охлаждаемого теплоносите­ля (рис. 261). При прямотоке, противотоке и при постоянной температуре одного из теплоносителей средний температурный напор определяют как средний логарифмический, т.е.

(175)

Рис. 261. Изменение тем­ператур теплоносителей при различном соотноше­нии водяных эквивалентов:

a - W₁ = W₂; б - W₂ >W₂;

в-W₁ < W₂ - при прямотоке; при противотоке;

где и - соответственно больший и меньший температурные напоры между охлаждаемым и охлаждающим теплоносителями на концах теплообменника.

При отношении / ≤ 1,7 определить ΔT с погреш­ностью, не превышающей 3%, можно по формуле для среднего арифметического температурного напора: ΔT = АТ_ар =0,5 ( + ). При всех других схемах течения

_{( 176)}

где - поправочный коэффициент, зависящий от значений вспомогательных величин Р и R и схемы движения теплоноси­телей; ; ; и - водяные эквиваленты ох­лаждаемого и охлаждающего теплоносителей.

Значение поправочного коэффициента как функцию Р и R для различных схем движения теплоносителей находят по графикам или расчетным зависимостям.

С достаточной для практических расчетов точностью сред­ний температурный напор можно рассчитать по формуле

(177)

где ; - коэффициент противоточности теплообменника, значения зависят как от схемы дви­жения теплоносителей, так и от формы теплообменных поверхностей (табл. 6).

6. ЗНАЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОТИВОТОЧНОСТИ

Ниже приведены значения р_пт для различного числа ходов п в случае многоходового перекрестного противотока с разде­лением охлаждающего теплоносителя.

Перемешивающимся (неразделенным) называют теплоноси­тель, температура которого поперек его хода выравнивается вследствие перемешивания (теплоноситель, движущийся между трубками), а неперемешивающимся (разделенным) - теплоноси­тель, температура которого поперек хода не выравнивается (при движении внутри параллельно расположенных трубок).

Точность расчета теплообменника в основном зависит от точности определения коэффициента теплопередачи k. Для вы­числения коэффициента теплопередачи необходимо знать коэф­фициенты теплоотдачи со стороны охлаждаемого α₁ и охлаж­дающего α ₂ теплоносителей, а также термическое сопротивле­ние теплопередающей поверхности δ/λ,-для однослойной стенки или - для многослойной стенки (где δ – толщина стенки, λ -коэффициент теплопроводности материала стенки). Коэффициент теплопередачи многослойной стенки, на поверх­ности которой при работе теплообменника образуются раз­личные отложения (солей, смол и т.д.), рассчитывают по уравнению

(178)

где Σ R_заг - термическое сопротивление, учитывающее загрязнение с обеих сторон теплопередающей поверхности, м² · К / Вт.

(179)

где α_вн и α_н - коэффициент теплоотдачи соответственно с вну­тренней и наружной стороны трубы; d_вн и d_н - внутренний и на­ружный диаметры трубы.

При определении считают, что если α_вн» α_н, то = d_н.

Если α_вн= α_н, то =0,5(d_вн + d_н); если α_вн «α_н, то = d_вн

Основные трудности возникают при подсчете коэффициен­тов теплоотдачи α. Они связаны с тем, что теплообменные ап­параты могут иметь сложную конфигурацию поверхностей те­плообмена, и, кроме того, приходится учитывать изменение температур теплоносителей по длине теплообменного аппарата.

Для оценки совершенства охладителей комбинированных двигателей используют следующие характеристики.

Тепловая эффективность

(180)

Величина характеризует отношение действительно переданной в охладитель теплоты к максимально возможной.

Коэффициент использования объема трубного пучка

(181)

где V - объем трубного пучка или пакета пластин

Коэффициент характеризует интенсивность теплопереноса в единице объема трубного пучка и устанавливает взаимо­связь тепловой нагрузки с габаритными размерами охладителя.

Коэффициент использования массы трубного пучка

(182)

где М - масса трубного пучка или пакета пластин.

Коэффициент характеризует интенсивность теплопереноса в единице массы трубного пучка и устанавливает взаимосвязь тепловой нагрузки с массой теплопередающей поверхности охладителя.

Коэффициент теплопередачи

k = Q/(FΔT). (183)

Показатель энергетической эффективности

(184)

I

где N₁ и N₂ - мощность, затрачиваемая на прокачку соответ ственно охлаждаемого и охлаждающего теплоносителей.

Показатель Е характеризует теплогидродинамическое со­вершенство охладителя и устанавливает взаимосвязь между те­пловой нагрузкой охладителя и затратами мощности на про­качку обоих теплоносителей.

Потери давления на прокачку охлаждаемого Δр₁ и охлаж­дающего Δр₂ теплоносителя характеризуют аэро- и гидродина­мические качества охладителя.

Для каждого типа охлаждающих поверхностей значения коэффициентов , , k, Е и потерь давления Δр₁ и Δр₂ регла­ментируются соответствующими ГОСТами (табл. 7)