2. Принимают параметры теплоносителя (чаще всего насыщенный водяной пар) или хладагента (чаще всего вода) и теплофизические свойства рабочей среды – плотность ρ, вязкость μ, удельная теплоемкость λ, теплопроводностьc_р при средней температуре. Среднюю температуру рассчитывают следующим образом:

      – в случае если t₂ / t₁ < 2, то:  

(1.1)

где t ₁ , t ₂ – начальная и конечная температура рабочей среды.

      – в случае если t₂ / t ₁ > 2, то:

(1.2)

где Θ _ср – средняя температура теплоносителя или хладагента;

∆t_ср – средняя разность температур между теплоносителем и рабочей средой (средний температурный напор), °С.

Среднюю разность температур при ∆t_б/∆t _м > 2 определяют по формуле:

(1.3)

где ∆t _б и ∆t_м – большая и меньшая разность температур теплоносителей соответственно.

В случае, если ∆t _б /∆t_м < 2, среднюю разность температур можно найти как:3. Производят предварительный тепловой расчет:

      а). Задаются значением коэффициента теплопередачи К (Вт/м²·К);

      б). Находят тепловой поток:

(1.5)

где G – производительность, кг/с;

С – теплоемкость рабочей среды при средней температуре, Дж/кг·К;

t ₁ , t ₂ – начальная и конечная температура рабочей среды, °С.

      в). Определяют ориентировочную поверхность теплообмена:

(1.6)

где F – площадь теплопередающей поверхности, м²;

Q – тепловой поток в аппарате, Вт;

К – коэффициент теплопередачи, Вт/м²·К;

∆t_ср – средняя разность температур между теплоносителями, °С.

      г). Производят предварительный выбор теплообменника (cм. табл. 1, или [1], [2]).

4. Производят уточненный тепловой расчет при различных вариантах подачи рабочей среды.

Расчет сводится к определению коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи и уточнению поверхности теплообмена.

Коэффициент теплопередачи рассчитывают по уравнению:

(1.7)

где α ₁ , α₂ – коэффициенты теплоотдачи теплоносителя и рабочей среды,

                   Вт/м²·К;

r_з1< , r _з2 – термические сопротивления загрязнений со стороны стенки,

                   м²·К/Вт;

λ_ст – коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/м·К;

δ_ст – толщина стенки, м.

Коэффициент теплоотдачи теплоносителя или хладагента выбирается ориентировочно по табл. 3.

Коэффициент теплоотдачи рабочей среды находят по формуле:

(1.8)

где d – наружный или внутренний диаметр труб при движении рабочей среды по межтрубному и трубному пространству соответственно, м;

λ; – коэффициент теплопроводности рабочей среды при средней температуре, Вт/м·К;

Nu – критерий Нуссельта, рассчитываемый в зависимости от режима движения.

При движении жидкости по трубам критерий Nu рассчитываем следующим образом:

– при турбулентном режиме (Re > 10⁴)

(1.9)

– при переходном (2300 < Re < 10⁴) и ламинарном (Re < 2300) режимах критерий Nu рассчитывают графически (см. рис. 6, 7 соответственно).

При этом критерий Рейнольдса (Re) находят по формуле:

(1.10)

где ω_тр=V/f_тр – скорость рабочей среды в трубном пространстве, м/с; которую определяют в зависимости от площади проходного сечения трубного пространства f _тр (см. табл. 3) и объемного расхода рабочей среды (V =G /ρ , м³/с);

d_в – внутренний диаметр труб, м;

ρ, μ – плотность и вязкость рабочей среды при средней температуре (см. п.2).

Критерий Прандтля (Pr) определяют по формуле:

(1.11)

При движении рабочей среды по межтрубному пространству критерий Nu рас­считывают по формулам:

– при значениях Re < 10³:

(1.12)

– при значениях Re > 10³:

(1.13)

где ε – коэффициент угла атаки; для стандартизованных теплообменников ε = 0,6;

с, n – коэффициенты, зависящие от размещения труб:

– при размещении труб по вершинам треугольника (для всех типов аппаратов) с = 0,21; n = 0,65;

– при размещении труб по вершинам квадрата (для аппаратов П и У) с = 0,38; n = 0,6.

Критерий Re в этих случаях рассчитывают по формуле:

(1.14)

где: ω_мт=V /f _мт – скорость теплоносителя в узком сечении межтрубного пространства, м/с; которую определяют в зависимости от площади проходного сечения межтрубного пространства f _мт (см. табл. 3) и объемного расхода теплоносителя (V=G/ρ, м³/с);

d _н – внутренний диаметр труб, м.

Рассчитав коэффициент теплопередачи по формуле (1.7), находим уточненную поверхность теплообмена по формуле (1.6).

По уточненной поверхности теплообмена с учетом ориентировочного расчета производим выбор теплообменника (табл. 1; [1], [2]).