3.2 Расчет тепловой изоляции теплообменного аппарата

Требуемое суммарное термическое сопротивление изоляции трубопровода:

, ,

(1)

где – удельные потери тепла трубопровода (аппарата), которые определяются по формуле:

,

(2)

где – коэффициент теплоотдачи от трубопровода к воздуху;

_. – температура покровного слоя.

Коэффициент теплоотдачи от трубопровода к воздуху определяется из критериального уравнения для свободной конвекции:

,

(3)

где и – коэффициенты критериального уравнения, определяемые по

таблице 3.1; – критерий Грасгофа; – критерий Прандтля.

Таблица 3.1

	Режим движения
	ламинарный	1,18	1/8
	переходный	0,54	1/4
	турбулентный	0,135	1/3

Требуемое термическое сопротивление изоляции:

,

(4)

где _. – термическое сопротивление покровного (защитного) слоя:

,

(5)

где – термическое сопротивление переходу теплоты от поверхности конструкции к воздуху,

,

(6)

где – коэффициент теплопроводности покровного слоя;

_., – наружный диаметр покровного слоя изоляции и наружный диаметр изоляции,

,

(7)

где _. – толщина покровного слоя.

Значение наружного диаметра изоляции предварительно задается и уточняется последовательным приближением при .

Необходимая толщина изоляции трубопровода (аппарата) определяется по формуле:

,

(8)

где – коэффициент теплопроводности изоляции; – наружный диаметр трубопровода (аппарата).

Полученный результат округляется до ближайшего целого значения, кратного 10 мм.

Определяют наружный диаметр изоляции и покровного слоя, по которым затем уточняют фактическое термическое сопротивление:

,

(9)

.

(10)

Уточняют величину удельных теплопотерь и температуру наружной поверхности изоляции, считая .

Диаметр изоляции должен быть

.

(11)

Материал изоляции выбран правильно, если удовлетворяется условие

.

(12)

3.3 Проектный расчет теплообменного аппарата

Требуемая поверхность нагрева теплообменника по обеим схемам включения (прямоток, противоток) находится исходя из основного уравнения теплопередачи:

,

(13)

где – тепловая нагрузка аппарата, Вт; – коэффициент теплопередачи рабочей поверхности теплообмена, Вт/(м² K); – средний температурный перепад между греющей и нагреваемой водой, ^oС.

Тепловую нагрузку определяют по уравнению теплового баланса аппарата

.

(14)

Из приведённого балансового уравнения может быть найдена температура греющей воды на выходе из теплообменника .

Физические параметры греющей и нагреваемой воды находят по уравнениям теплофизических свойств воды (Приложение 4) или по таблице физических свойств воды (Приложение 5) при средней температуре теплоносителя

.

(15)

Скорости движения теплоносителей определяют по формулам

, ,	(16)
, ,	(17)

где , – наружный диаметр внутренней трубы.

Расчёт коэффициента теплопередачи (K) производят по формуле для плоской стенки, поскольку соотношение диаметров греющей поверхности аппарата значительно меньше 1,8 ()

,

(18)

где и – коэффициенты теплоотдачи соответственно с внутренней и наружной стороны греющей поверхности, Вт/(м² K).

Коэффициенты и определены из уравнения

,

(19)

где – определяющий геометрический размер, ; – коэффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м K); – критерий Нуссельта.

При подсчёте коэффициента теплоотдачи с внутренней поверхности греющей трубы () использовать формулы:

а) для турбулентного режима движения ()

,

(20)

б) для переходного режима движения ()

,

(21)

при этом, взять из таблицы 3.2.

Таблица 3.2 – Значения поправочного коэффициента K₀ переходного режима

	2,1	2,2	2,3	2,4	2,5	3	4	5	6	7	8
	1,9	2,2	3,3	3,8	4,4	5,0	10,3	15,5	19,5	27	33,3

в) для ламинарного режима движения ()

,

(22)

Индексы «ж» и «с» означают, что физические константы жидкости взяты соответственно при средней температуре жидкости и средней температуре стенки.

Значения поправочного коэффициента на длину трубы ε_е принять из таблицы 3.3.

Таблица 3.3 – Значения поправочного коэффициента на длину трубы ε_е

		1	2	5	10	15	20	30	40	50
εе	Ламинар ный режим	1,9	1,7	1,44	1,28	1,18	1,13	1,05	1,02	1,0
	Турбулентный режим	1,5	1,4	1,23	1,14	1,10	1,08	1,04	1,02	1,0

Для определения коэффициента теплоотдачи с наружной поверхности греющей трубы (, использовать те же формулы по расчёту критерия Нуссельта, вводя дополнительный множитель ).

В качестве определяющего размера (диаметра) в расчётах использовать эквивалентный диаметр, равный:

.

(23)

Используемые в расчётных уравнениях «а», «б», «в» критерии Рейнольдса (), Прандтля () и Грасгофа () определять по формулам:

,	(24)
,	(25)
,	(26)

где – коэффициент объёмного расширения;

g = 9,81 м/сек² – ускорение свободного падения.

Для каждой схемы включения аппарата средний температурный напор () определять как среднелогарифмический

,

(27)

где и – наибольший и наименьший температурные перепады между греющим теплоносителем и нагреваемой водой.

Расчёт числа секций теплообменника () произвести по формуле

,

(28)

где , м² – площадь греющей поверхности одной секции.