Онлайн расчет теплообменника труба в трубе: Теплообменник труба в трубе. Расчет в Excel.

Теплообменник труба в трубе. Расчет в Excel.

Опубликовано 28 Фев 2016
Рубрика: Теплотехника | 65 комментариев

(Статья дополнена P. S. (20.10.2019).)

Для нагрева холодной воды (разумеется, без смешивания) от системы отопления используются теплообменные аппараты — рекуператоры, в которых две среды движутся в своих полостях, разделенные металлической стенкой. …

…Горячая вода системы отопления, остывая, через стенку нагревает холодную воду в системе горячего водоснабжения.

Из рекуператоров наибольшее распространение получили пластинчатые и кожухотрубчатые теплообменники, которые широко используются не только в коммунальном хозяйстве, но и в первую очередь в различных отраслях промышленности и энергетики. При этом в качестве греющих и нагреваемых сред могут быть самые разнообразные жидкости и газы.

Пластинчатые теплообменники компактнее и эффективнее «древних советских» кожухотрубчатых рекуператоров, однако, последние более просты в изготовлении и в несколько раз дешевле. А некоторые современные образцы отечественных кожухотрубных теплообменников обыгрывают в разы по всем статьям западные пластинчатые аналоги (rosteplo.ru/Tech_stat/stat_shablon.php?id=341).

Теплообменник «труба в трубе» – это простейший вариант кожухотрубного аппарата.

В этой статье представлен алгоритм и теплотехнический расчет в Excel водо-водяного теплообменника типа «труба в трубе». Если греющая и нагреваемая среды — не вода, то некоторые исходные данные и формулы, использованные в программе, требуется существенно изменить!

Водо-водяной теплообменник «труба в трубе». Расчет в Excel.

На рисунке, представленном ниже, внутренняя труба является теплообменной, а наружная – кожуховой. Греющая вода движется слева направо и остывает, отдавая тепло через стенку внутренней трубы нагреваемой воде. Нагреваемая вода движется справа налево и нагревается.

Снаружи аппарат теплоизолирован. В расчете далее условно принято, что теплоизоляция обеспечивает абсолютное отсутствие теплообмена между наружной трубой и окружающей средой.

Если наружная труба не изолируется, то в расчете необходимо учесть потери тепла окружающему пространству. Как это сделать, можно посмотреть здесь.

Изображенная на рисунке схема движения жидкостей называется противотоком – нагреваемая вода движется навстречу греющей. Прямотоком, соответственно, будет движение потоков в одном направлении.

Из скриншота программы очевидно, что пользователю нужно заполнить светло-бирюзовые и бледно-зеленые ячейки исходными данными и в светло-желтых ячейках считать результаты вычислений.

Расчет в Excel теплообменника «труба в трубе» выполняется по нижеприведенному алгоритму.

i=1 – для греющей воды и внутренней стенки теплообменной трубы

i=2 – для нагреваемой воды и внешней стенки теплообменной трубы

x=1 – при прямотоке

x=2 – при противотоке

9.  Средняя температура воды

t_i=(t_iвх+t_iвых)/2

10. Средняя температура поверхностей стенки внутренней теплообменной трубы в первом приближении

t_ст1=t_ст2=(t₁+t₂)/2

11. Передаваемая тепловая мощность

N=G₂*C_p*(t_2вых-t_2вх)

8. Температура греющей воды на выходе

t_1вых=t_1вх-N/(G₁*C_p)

12.  Средняя плотность воды

ρ_i=-0,003*t_i²-0,1511*t_i+1003,1

13. Среднее значение коэффициента кинематической вязкости воды

ν_i=0,0178/(1+0,0337*t_i+0,000221*t_i²)/10000

14. Среднее значение коэффициента теплопроводности воды

λ_i=0,581+0,0012*t_i

15. Среднее значение критерия Прандтля для воды

Pr_i=7,5-0,0694*t_i

16. Скорость движения воды во внутренней трубе и в кольцевом пространстве наружной трубы

v₁=G₁/(π*d₁²/4)/ρ₁

v₂=G₂/(π*(d₂²-D₁²)/4)/ρ₂

Желательно чтобы скорость движения воды находилась в диапазоне 0,25…2,5 м/с. Большие значения из диапазона предпочтительнее с точки зрения увеличения турбулентности потока и, следовательно, коэффициента теплоотдачи, но не предпочтительны с точки зрения увеличения гидравлического сопротивления системы, требующего насосы повышенных мощностей.

17. Число Рейнольдса для греющего и нагреваемого потоков

Re₁=v₁*d₁/ν₁

Re₂=v₂*(d₂— D₁)/ν₂

Режим течения воды по трубам должен быть турбулентным, т.е. Re>2300 (еще лучше, если Re>10000).

18. Среднее значение критерия Прандтля для внутренней и внешней поверхностей стенки теплообменной внутренней трубы

Pr_стi=7,5-0,0694*t_стi

19. Критерий Нуссельта со стороны греющей и со стороны нагреваемой воды

Nu₁=0,021*Re₁^0,8*Pr₁^0,43*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25

Nu₂=0,017*Re₂^0,8*Pr₂^0,4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25*(d₂/D₁)^0,18

20.  Коэффициент теплоотдачи от греющей воды стенке и от стенки нагреваемой воде

α₁=Nu₁*λ₁/d₁

α₂=Nu₂*λ₂/(d₂-D₁)

21. Коэффициент теплопередачи

K=1/(1/α₁+((D1— d1)/2)/λ_ст-1/α₂)

22. Максимальный температурный напор

Если x=1 (прямоток), то

Δt_max=t_1вх— t_2вх

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых>t_1вых— t_2вх, то

Δt_max=t_1вх— t_2вых

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых<t_1вых— t_2вх, то

Δt_max=t_1вых— t_2вх

23.  Минимальный температурный напор

Если x=1 (прямоток), то

Δt_min=t_1вых— t_2вых

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых<t_1вых— t_2вх, то

Δt_min=t_1вх— t_2вых

Если x=2 (противоток) и t_1вх— t_2вых>t_1вых— t_2вх, то

Δt_min=t_1вых— t_2вх

24.  Среднелогарифмический температурный напор

Δt_ср=(Δt_max— Δt_min)/ln(Δt_max/Δt_min)

25. Плотность теплового потока

q=K*Δt_ср

10*. Теперь следует вернуться к пункту 10 и вычислить средние температуры поверхностей стенки внутренней теплообменной трубы во втором приближении по новым формулам

t_ст1=t₁-q/α₁

t_ст2=t₂+q/α₂

!!! С новыми значениями температур поверхностей стенки нужно заново выполнить расчеты по пунктам 18-21 и 25 и опять пересчитать значения t_ст1 и t_ст2 в третьем приближении…

В представленной программе расчет в Excel выполняется 6 раз. Для точности необходимой на практике обычно бывает достаточно выполнить 2 или 3 приближения.

26. Площадь поверхности нагрева

F=N/q

27. Расчетная длина нагревателя

L=F/(π*d₁)

28. Диаметры присоединительных патрубков

d_пi=(3600*Gi/(π*v_max*ρ_i))^0,5/30

В расчете максимальная скорость воды v_max принята равной 1,8 м/c. При необходимости можно ее увеличить до 2,5 м/с или принять равной скорости движения воды по теплообменнику.

На этом теплотехнический расчет в Excel теплообменника «труба в трубе» можно считать завершенным. Гидравлический расчет поможет выполнить эта статья на блоге.

Отложения, образующиеся в процессе эксплуатации на поверхностях стенки внутренней теплообменной трубы, существенно влияют на коэффициент теплопередачи и могут со временем в 1,5-2 раза снизить эффективность работы любого теплообменника. Рассмотренный расчет в Excel это не учитывает.

Заключение.

Посмотрите небольшое видео о работе в представленной программе, которое поможет быстрее понять логику алгоритма и некоторых штатных приемов работы в Excel.

Теперь, считая теплообменник «труба в трубе», вы, уважаемые читатели, избавлены от рутинных ручных расчетов, и у вас будет больше времени на техническое творчество.

Ссылка на скачивание файла: teploobmennik-truba-v-trube (xls 111KB)

P. S. (20.10.2019)

Решил попробовать повысить точность вычислений и занялся переработкой алгоритма. В итоге в новый вариант программы внесены следующие изменения:

1. В исходных данных добавился еще один параметр – давление воды (P_i). Хотя существенного влияния на теплофизические параметры воды давление не оказывает, но всё же…

2. Средняя температура воды в трубах (t_i) вычисляется по уточненному алгоритму. Для потока, в котором температура воды изменяется меньше, она определяется как среднеарифметическая: t_i=(t_iвх+t_iвых)/2. Для потока, в котором температура от входа до выхода изменяется больше, средняя температура определяется как сумма или разность среднеарифметической температуры другого потока и среднелогарифмического напора: t_j=t_i±Δt_ср.

3. Теплофизические параметры воды – плотность (ρ_i), коэффициент кинематической вязкости (ν_i), коэффициент теплопроводности (λ_i), критерий Прандтля (Pr_i), изменяющиеся от температуры и давления, теперь определяются с помощью пользовательских функций Полковова Вячеслава Леонидовича с более высокой точностью.

4. Попытался расширить диапазон применения программы. К турбулентному режиму (Re>10000) добавил переходный режим течения (2300<Re<10000). При этом столкнулся с отсутствием относительно точных формул для этого режима течения жидкости по трубам.

Важнейший критерий Нуссельта (Nu), необходимый для определения коэффициента теплоотдачи (α), вычисляется по нижеприведенным формулам, которые были выбраны после долгого и тщательного анализа существующих критериальных зависимостей, предложенных Михеевым М.

А., Исаченко В.П., Кутателадзе С.С., Петуховым Б.С., В. Гниелински. Так как в расчетах никак не учитывается шероховатость поверхностей труб и степень их загрязненности, то предпочтение было отдано выражениям, которые выдают при прочих равных меньшие значения критерия Нуссельта.

Для потока воды в круглом сечении внутренней трубы:

• При 2300<Re<10000:

Nu₁=K₀₁*Pr₁^0,43*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25

где:

К₀₁=-0,002*(Re₁/1000)⁴+0,0633*(Re₁/1000)³-0,854*(Re₁/1000)²+8,7529*(Re₁/1000) -12,639

• При Re>10000:

Nu₁=0,021*Re₁^0,8*Pr₁^0,43*(Pr₁/Pr_ст1)^0,25

Для потока воды в кольцевом сечении межтрубного пространства:

• При 2300<Re<10000:

Nu₂=K₀₂*Nu”₂+(1- K₀₂)*Nu’₂

где:

К₀₂=(Re₂-2300)/(10000-2300)

Nu’₂=4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25  /при Re=2300/

Nu”₂=0,017*10000^0,8*Pr₂^0,4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25*(d₂/D₁)^0,18  /при Re=10000

/

• При Re>10000:

Nu₂=0,017*Re₂^0,8*Pr₂^0,4*(Pr₂/Pr_ст2)^0,25*(d₂/D₁)^0,18

Определяющим размером для кругового сечения является диаметр d₁, для кольцевого сечения – эквивалентный диаметр d_экв=d₂-D₁. Определяющая температура – средняя температура потока t_i.

5. Расчет теплопередачи выполнен по формулам для цилиндрической стенки без упрощений, примененных ранее, где использовались зависимости для плоской стенки.

Линейный коэффициент теплопередачи (K_L) вычисляется по формуле:

K_L=1/(1/(α₁*d₁)+1/(2*λ

ст)*LN (D₁/d₁)+1/(α₂*D₁))

Линейная плотность теплового потока (q_L):

q_L=K_L*Δt_ср*π

6. Расчетная длина нагревателя (L):

L=N/q_L

Температуры поверхностей стенок (t_стi), как и ранее, определяются  шестью итерациями, чего более чем достаточно для обеспечения абсолютной точности вычислений.

Четыре важных замечания:

1. При проектировании теплообменников переходного режима течения жидкостей следует, все-таки, стремиться избегать по причине низкого значения коэффициента теплоотдачи (α_i) и значительной погрешности существующих методик расчетов.

2. По данным открытых источников расхождение результатов экспериментов и расчетов по примененным в новой версии программы формулам находится в весьма широких пределах ±20%.

3. На скриншотах в основной статье и в P. S. показаны примеры расчетов с одинаковыми исходными данными. Расчетная длина нагревателя, полученная по старой программе, на 25% меньше, чем по обновленной версии! Это обусловлено в первую очередь тем, что для потока в кольцевом сечении при переходном режиме была не совсем правомерно применена формула для турбулентного течения.

4. Программа тестировалась на примере задачи 12-2 из Задачника по теплопередаче (Краснощеков Е.А., Сукомел А.С., 1980, стр. 219-222). Расхождение результатов — расчетных длин — 1,2%. При этом в Задачнике расчет выполнен по упрощенным формулам и без итераций.

Ссылка на скачивание файла с обновленной программой:

teploobmennik-truba-v-trube-2(xls 156KB)

Другие статьи автора блога

На главную

Статьи с близкой тематикой

Отзывы

Расчет теплообменного аппарата «труба в трубе»

В работе выполнен тепловой расчет и расчет прочности узла теплообменника «труба в трубе». Определены значения температурных полей и механических напряжений в элементах конструкции теплообменника.

Теплообменник типа «труба в трубе», принцип работы которого основан на постоянном контакте теплоносителя с обрабатываемой жидкостью, используется в технологических системах для нагревания или охлаждения теплоносителя с небольшой поверхностью теплообмена на предприятиях газовой, нефтяной, нефтехимической и химической промышленности. Применяются теплообменники с такой конструкцией и в пищевой промышленности, например, в виноделии и при производстве молочных продуктов.

Конструкция теплообменника типа «труба в трубе» состоит из нескольких прямолинейных участков труб, расположенных друг над другом. Внутренние трубы с меньшим диаметром последовательно соединены друг с другом дугами в полуокружность (переходными каналами), которые крепятся фланцевым соединением.

Теплообменный аппарат проектируется на основании:

• Теплового расчета с определением площадей поверхности теплообменника;
• Конструктивного расчета основных геометрических параметров агрегата и его узлов;
• Гидравлического расчета, определяющего потерю напора.

Расчет теплообменника. Постановка задачи

Целью выполненной работы является выполнение теплового расчета и определение температурного состояния внутренней трубы теплообменного аппарата «труба в трубе», охладителя пирогаза; расчет прочности элементов внутренней трубы теплообменного аппарата, находящихся под действием внутреннего и внешнего давления, рабочих температур.

Состав и параметры смеси рабочей среды (пирогаза) представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1. Состав смеси пирогаза

Соединение	Массовая доля, %
Этилен	28-29
Пропилен	16-17
Этан	8-9
Пропан	2-3
Метан	20-22
Пар разбавления	26-20

 

Таблица 2. Параметры смеси пирогаза

Величина	Вход	Выход
Т, ºС	865	450
Pизб, МПа	0. 11	0.09
ρ, [кг/м3]	0.572	1.003
μ, [кг/м•с]	3.367*10-5	2.049*10-5

 

В расчете в качестве допущения принимается линейное распределение температуры пирогаза по длине канала от 865

оС до 450^оС. Расчетное давление пирогаза P_изб=0.2 МПа.

Данные о характеристиках среды охлаждения: среда охлаждения – пароводяная эмульсия; давление среды = 130  кгс/см²; температура среды = 330^оС; коэффициент теплоотдачи = 14500 Вт/(м2 *град).

В качестве расчетной модели рассматривается внутренняя труба, на внутренней и внешней поверхности которой в качестве граничных условий задается конвективный теплообмен с окружающей средой заданной температуры, с  коэффициентами теплоотдачи, рассчитанными по аналитической методике.

Для расчетов температурного и напряженно-деформированнного состояния трубы со смесью пирогаза использована программная система конечно-элементного анализа ANSYS. Сетка построена с помощью линейных гексаэдральных конечных элементов, размеры которых по толщине, длине и окружности трубы подобраны для корректного описания искомых величин (температура, перемещения, напряжения). 

Тепловой расчет теплообменника

Граничные условия и нагрузки, необходимые для расчёта теплового состояния внутренней трубы охладителя:

1. На внутренней стенке трубы задается условие конвекции. Принимается линейное распределение температуры среды по длине трубы от 865ºС на входе до 450ºС на выходе. Принимается линейная зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры.  Кроме того, просчитаны дополнительные варианты для постоянных значений коэффициента теплоотдачи 500 и 750  Вт/(м2 *К).
2. На внешней стенке трубы, граничащей с кипящей парогазовой эмульсией, задается условие конвекции. Температура среды и коэффициент теплоотдачи принимаются  постоянными в соответствии с исходными данными.
3. На внешней стенке трубы, граничащей с неподвижным воздухом, задается температура окружающего воздуха 40ºС и коэффициент теплоотдачи 3,7 Вт/(м2 *К).
4. По плоскостям симметрии задается адиабатическая стенка (нулевой тепловой поток).

Расчет напряженно-деформированного состояния узла теплообменника

Для расчета напряженно-деформированного состояния узла входа пирогаза создана модель, включающая части внутренней и внешней трубы.

В качестве нагрузки принимается поле температур, полученное в результате теплового расчета, а также давления пирогаза, охлаждающей эмульсии и атмосферы. Кинематические граничные условия не препятствуют деформированию модели, т.е не учитываются возможные усилия, вызванные монтажом и закреплениями, препятствующими деформации конструкции при нагреве.

Граничные условия и нагрузки необходимые для тепломеханического расчета входного узла:

1. На внутренней стенке внутренней трубы задается условие конвекции. Принимается линейное распределение температуры среды по длине трубы из расчета 865ºС на входе до 450ºС на выходе из охладителя. Принималась линейная зависимость коэффициента теплоотдачи от температуры в соответствии с таблицей 5. Давление на стенке задается равным 0.3 МПа в соответствии с исходными данными.
2. В межтрубном пространстве задается условие конвекции. Температура среды и коэффициент теплоотдачи принимаются  постоянными в соответствии с исходными данными. Давление на стенках 13 МПа.
3. На внешней стенке трубы, граничащей с неподвижным воздухом, задается температура окружающего воздуха 40ºС и коэффициент теплоотдачи 3,7 Вт/(м² *К) и давление 0.1 МПа.
4. По плоскостям симметрии задается адиабатическая стенка (нулевой тепловой поток) и равенство нулю нормальных перемещений.

Результаты расчета прочности деталей теплообменного аппарата (эквивалентные напряжения, определенные по теории наибольших касательных напряжений) представлены на рисунке.

Заключение

1. На основе предоставленных данных проведен расчет теплофизических свойств смеси пирогаза и коэффициентов теплоотдачи на внутренней и внешней поверхностях трубы, необходимые для постановки задачи расчета температурного и напряженного состояния конструкции.

2. В результате теплового расчета внутренней трубы теплообменного аппарата было получено распределение температур по ее стенке.  Максимальные значения  температуры в различных узлах приведены в таблице 6.

3. Расчет тепломеханического состояния входного узла показал, что уровень максимальных эквивалентных напряжений  в линейно-упругой постановке достигает  300-370 МПа, что значительно превышает допустимое значение 140 МПа. Это свидетельствует о возможном превышении предела текучести стали, необходимости проведения поверочного расчета в нелинейной (упруго-пластической) постановке и оценки циклической прочности конструкции.

4. В тепломеханическом расчете предполагалось, что условия закрепления теплообменника не препятствуют свободному деформированию материала труб под действием нагрева. Для учета возможного влияния закрепления необходимо моделирование всей геометрии теплообменника до ближайших жесткозакрепленных точек.

5. Оценка коэффициента теплоотдачи на внутренней стенке трубы с пирогазом проведена по  вычисленным значениям вязкости, теплоемкости, теплопроводности для принятого состава смеси пирогаза. Однако, эти свойства чувствительны  к составу смеси пирогаза, а, следовательно, при отклонениях в составе смеси от указанных в таблице 1 изменятся и значения коэффициента теплоотдачи.  Кроме того, при оценке коэффициента теплоотдачи не учтена локальная интенсификация теплообмена на поворотах потока и его зависимость от неравномерности  поля скорости.  Для более точного определения распределения коэффициента теплоотдачи по внутренней стенке трубы необходимо проведение детального моделирования течения пирогаза и теплообмена.

Двухтрубный теплообменник | Вычисления в Excel

Эта таблица Excel поможет вам спроектировать двухтрубный теплообменник (также известный как теплообменник с концентрическими трубами). Двухтрубные теплообменники часто используются в химической, пищевой и нефтегазовой промышленности. Они имеют особое преимущество, когда необходимы близкие температурные подходы или в приложениях с высоким давлением.

Электронная таблица даст вам важные расчетные параметры, такие как общая площадь теплопередачи, необходимая длина, перепады давления, скорости жидкости и многое другое. В таблице используется

• Корреляция Гнелинского для коэффициента теплопередачи жидкостей межтрубного и межтрубного пространства (hh и hc). Корреляция Гнелинского действительна для 0,5 ≤ Pr ≤ 2000 и 2300 ≤ Re ≤ 5 ⁶ . Она дает коэффициент теплопередачи через коэффициент трения, число Рейнольдса и число Прандтля.
• Соотношение Филоненко для коэффициента трения (справедливо для гладких труб в турбулентном потоке с 10 ⁴ ≤ Re ≤ 10 ⁷ ).

Уравнения для коэффициентов теплопередачи, коэффициента трения, длины теплообменника и общего коэффициента теплопередачи приведены ниже. число Нуссельта

Re – число Рейнольдса

f — коэффициент трения

Q – скорость теплопередачи (определяется из теплового баланса)

d _ic внутренний диаметр внутренней трубы

d _oc внешний диаметр внутренней трубы

кп – теплопроводность материала трубы

h _c – коэффициент теплопередачи холодной жидкости (во внутренней трубе)

ч _ч – коэффициент теплопередачи горячей жидкости (во внешней трубе)

ΔT _LMTD — среднелогарифмическая разность температур

Электронная таблица Excel использует имена переменных в формулах, чтобы помочь вам лучше понять уравнения. Как правило, суффиксы h и c представляют величины, определенные для горячего и холодного потоков соответственно (например, hh — коэффициент теплопередачи для горячего потока, hc — коэффициент теплопередачи для холодного потока)

Именованные переменные

ИНСТРУКЦИИ

Шаг 1. Введите параметры . Электронная таблица рассчитает начальные значения коэффициентов теплопередачи, скорость теплопередачи между обеими жидкостями и длину теплообменника. Предоставьте первоначальную оценку параметра (например, массового расхода), который вы измените на шаге 2.

Укажите ваши параметры

Скорость теплопередачи через жидкости межтрубного пространства и межтрубного пространства должна быть одинаковой. Вы должны использовать Goal Seek, чтобы сделать разницу между двумя скоростями теплопередачи равной нулю, изменив расчетный параметр (например, массовый расход)

Поиск цели

Теперь вы установили важные расчетные параметры, такие как скорости жидкости, перепады давления со стороны труб и со стороны кожуха, числа Прандтля, длина теплообменника. и так далее.

Промежуточные расчеты и результаты

Эта таблица полностью бесплатна. Если у вас есть какие-либо комментарии, пожалуйста, дайте мне знать. Загрузите его по ссылке ниже и, пожалуйста, добавьте в закладки или поделитесь этим веб-сайтом там, где вы считаете это уместным.

Загрузить электронную таблицу Excel для проектирования двухтрубного теплообменника

HTflux – Программное обеспечение для моделирования

На последней вкладке диалогового окна инструмента сопротивления теплопередачи в HTflux вы найдете очень универсальный инструмент для расчета коэффициентов теплопередачи (сопротивлений). трубных течений для газов и жидкостей.
Чтобы получить эти фактические коэффициенты передачи, необходимы некоторые гидродинамические расчеты. К счастью, HTflux сделает эту работу за вас, помимо тепловых коэффициентов, он также предоставит вам множество других важных показателей, например. он рассчитает падение давления для указанной трубы.

Инструмент расчета расхода в трубах

Инструмент очень мощный, если вы пытаетесь рассчитать теплопотери (или прирост) в трубах, содержащих текущую среду. Это может иметь значение для многих приложений, например. трубы отопления, охлаждающие трубы, вентиляционные трубы, дымоходы, теплообменники, котлы, конденсаторы, испарители, трубы холодного водоснабжения, трубы горячего водоснабжения, трубы холодильника, трубы двигателя,…

 

Вам нужно будет только указать желаемые входные параметры. Это:

1. Диаметр трубы: введите внутренний диаметр трубы.
2. Длина трубы: введите соответствующую длину вашей трубы.
3. Температура жидкости: введите здесь среднюю температуру жидкости.
4. Жидкость: здесь вы можете выбрать тип жидкости в вашей трубе.
   В настоящее время доступны следующие жидкости (по запросу могут быть добавлены другие жидкости):
   1. Вода (при 1 бар)
   2. Воздух (сухой, при 1 атм)
   3. Хладагент R134a в жидкой фазе
   4. Хладагент R134a в паровой фазе
   5. Водяной пар (пар)
   6. Аммиак в жидкой фазе
   7. Аммиак в паровой фазе
   8. Пропан в жидкой фазе
   9. Пропан в паровой фазе
   10. Изобутан R600a
   11. Моторное масло (чистое, неиспользованное)
5. Расход: здесь можно указать расход в литрах в минуту
6. Скорость потока: здесь можно указать среднюю скорость потока в м/с, расход будет рассчитан соответственно.
7. Модель трения: для расчета можно выбрать одну из трех различных моделей трения:
   1. Colebrook-White: оставьте значение по умолчанию, если вы не уверены.
   2. Никурадсе: на основе шероховатости зерен песка
   3. Модель гладкой трубы: на основе расчета Прандтля
8. Шероховатость трубы : здесь вы можете указать абсолютную шероховатость трубы, например, для полиэтиленовых труб обычно указывается шероховатость 0,003 мм.

После ввода необходимых параметров HTflux рассчитает значение поверхностного сопротивления теплопередачи труб. При нажатии на кнопку «ОК» значение будет присвоено выбранному граничному условию. Используйте это граничное условие вместе с правильной средней температурой в моделировании, чтобы рассчитать теплопередачу вашего потока в трубе.

Течение в трубе и физика теплопередачи – краткий обзор

Поскольку HTflux сделает расчет за вас, вам не придется углубляться в гидродинамику, однако основные этапы расчета будут описаны в следующих параграфах. Теплопередача от текущей жидкости к внутренней поверхности трубы сильно зависит от фактического состояния потока. Поэтому необходимо рассчитать основные характеристические параметры, которые используются для описания состояния потока жидкости.

После того, как вы выбрали тип жидкости и ее температуру, HTflux определяет соответствующие свойства вашей жидкости: плотность, теплопроводность, теплоемкость, кинетическую вязкость и температуропроводность. На их основе вычисляется так называемое число Прандтля . Это отношение вязкости (коэффициент диффузии импульса) и температуропроводности, поэтому оно важно для данного расчета.

число Рейнольдса

На следующем этапе число Рейнольдса для потока в трубе будет рассчитано:

Число Рейнольдса является важной величиной, которая позволяет прогнозировать состояние потока жидкости. Основываясь на фактическом значении числа Рейнольдса, расчет будет продолжен либо для ламинарного (Re<2300), либо для турбулентного случая (Re>=2300), так как эти два состояния потока имеют существенно различное поведение:

Турбулентный поток в трубе

Когда число Рейнольдса превышает значение 2300 a можно предположить турбулентный поток . Эффекты турбулентности приводят к более высокой скорости «перемешивания» внутри потока и, следовательно, значительно увеличивают скорость теплопередачи. число Нуссельта , описывающее такой поток, может быть записано как:

, где Pr — это число Прандтля , Re — это число Рейнольдса , 90 7 6 λ λ множитель. трубы (см. ниже), d — внутренний диаметр и L — длина трубы.

Ламинарный поток в трубе

Если число Рейнольдса ниже значения 2300, предполагается ламинарный поток. В этом случае предполагается плавный равномерный поток в трубе. Скорость потока меняется в зависимости от радиуса. Наибольшая скорость достигается в центре трубы, где скорость на поверхности трубы достигает значения 0. Благодаря такому характерному распределению теплоотдача на внутреннюю поверхность трубы значительно ниже, чем при турбулентном течении. . Для этого ламинарного случая Число Нуссельта может быть записано как:

Коэффициенты трения для потока в трубе

Как упоминалось выше, вы можете выбирать между различными моделями трения. За исключением особых случаев, выбор модели не окажет большого влияния на результаты расчета. Если вы не уверены, мы рекомендуем выбрать модель Colebrook-White и указать шероховатость трубы, указанную в конкретном информационном бюллетене трубы или аналогичных документах.
В зависимости от состояния потока и выбранной модели будут использоваться следующие уравнения:

Ламинарный поток – коэффициент трения Дарси

Как описано ранее, в случае ламинарного потока жидкость, касающаяся поверхности трубы, всегда будет «прилипать» к поверхности трубы (v=0). Следовательно, в этом случае коэффициент трения не будет зависеть от шероховатости трубы. Следовательно, для коэффициента трения Дарси для всех ламинарных потоков будет использоваться следующее уравнение :

Модель трения Коулбрука-Уайта

Для большинства применений эта модель обеспечит наилучшие результаты. конкретный шероховатость k трубы может быть предоставлена, однако модель также даст хорошие результаты для гладких труб.

Модель трения Никурадзе

На основе экспериментов с песчинками Никурадсе разработал модель трения, которая лучше всего подходит для поверхностей с подобным типом «шероховатости песка». Соответствующее уравнение для этой модели:

Модель гладкой трубы

Для турбулентных течений в идеально гладких трубах можно использовать следующее уравнение (Кармана-Никурдзе/Прандтля):

Коэффициент теплопередачи для потока в трубе

После расчета всех необходимых величин расхода можно легко окончательно рассчитать коэффициент теплопередачи потока в трубе или его обратное поверхностное сопротивление Rs, используемое в HTflux. Число Нуссельта в основном содержит всю необходимую информацию. Это должно быть связано только с внутренним диаметром трубы и теплопроводностью жидкости:

Другие полезные данные о расходе трубы: падение давления, сопротивление трубы и коэффициент потери давления

Наряду с ключевыми показателями термопереноса HTflux также предоставляет полезные данные о конструкции труб.