Расчет кожухотрубного теплообменника (стр. 1 из 6)

1. Тепловой расчет

Цель теплового расчета – определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса и выбор стандартизованного теплообменника [1].

Из основного уравнения теплопередачи:

, (1)

где F – площадь теплопередающей поверхности, м²;

Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

K – коэффициент теплопередачи,

;

– средний температурный напор, К.

1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата

В рассматриваемой задаче нагревание воды осуществляется в горизонтальном теплообменнике теплотой конденсирующего пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле [6]:

, (2)

где G_хол – массовый расход воды, кг/с,

;

С_хол – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кг×К);

Т_к, Т_н – конечная и начальная температуры воды, К;

– коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду при нагревании, = 1,05.

Средняя температура воды:

⁰С ,

Этому значению температуры соответствует

.

Тогда

Вт,

с учетом потери

Вт.

1.2 Определение расхода пара и температуры его насыщения

Расход пара определим из уравнения:

, (3)

где D – расход пара, кг/с;

r – скрытая теплота конденсации пара, Дж/кг.

По [2, прил. LVII] при Р_п = 0,3 МПа, r = 2171×10³ Дж/кг, Т_к = 133 ⁰С.

Из формулы (3) следует, что

кг/с.

1.3 Расчет температурного режима теплообменника

Цель расчета – определение средней разности температур

и средних температур теплоносителей t_ср1 и t_ср2. Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей.

Т_н = 191,7 ⁰С Пар Т_к = 191,7 ⁰С

t_к = 96 ⁰С Вода t_н = 40 ⁰С

⁰С ⁰С

Так как

, то ⁰С.

Температура пара в процессе конденсации не изменяется, поэтому t_ср1 = Т_п = 191,7 ⁰С, а средняя температура воды : t_{ср 2} = t_{ср 1}-

t_ср = 191,7-123,7=68 ⁰С.

1.4 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей

Теплофизические свойства теплоносителей определяем при их средних температурах и заносим в таблицу 1.

Таблица 1 Теплофизические свойства теплоносителей

1.5 Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата. Выбор конструкции аппарата

Ориентировочным расчетом называется расчет площади теплопередающей поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К, выбираемому из [1, табл. 1.3]. Принимаем К= 800 Вт/(м²×К), поскольку теплота передаётся от конденсирующего пара к воде, тогда ориентировочное значение площади аппарата по формуле (1)

м².

Так как в аппарате горячим теплоносителем является пар, то для обеспечения высокой интенсивности теплообмена со стороны воды, необходимо обеспечить турбулентный режим движения и скорость течения воды в трубках аппарата. Принимаем число Рейнольдса Re = 12000.

Для изготовления теплообменника выберем трубы стальные бесшовные диаметром 25х2 мм.

Необходимое число труб в аппарате n, обеспечивающее такую скорость, определим из уравнения:

, (4)

где n – количество труб в аппарате, шт.;

d – внутренний диаметр труб, м;

G – массовый расход воды, кг/с;

- динамическая вязкость, Па·с;

Re – число Рейнольдса.

Из формулы (4):

шт.

Такому числу труб n = 39 шт. и площади поверхности аппарата F = 18,3 м² по [1, табл. 1.8] ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает кожухотрубчатый двухходовой теплообменник диаметром 325 мм, с числом труб 28 в одном ходе, длиной теплообменных труб 4000 мм и площадью поверхности F = 17,5 м².

Проверим скорость движения воды в трубах аппарата:

м/с.

Значение скорости находится в рекомендуемых пределах, поэтому выбор конструкции аппарата закончен.

1.6 Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи

Приближенным расчетом называется расчет коэффициентов

и К по формулам, не учитывающим влияние температуры стенки теплопередающей поверхности на интенсивность теплоотдачи [1].

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке вертикальных труб без учета температуры стенки рассчитывается по формуле [1, с. 24]:

, (5)

где G – массовый расход конденсирующегося пара, G = 6,24·10^-1 кг/с;

n – число труб в аппарате с наружным диаметром d, шт;

– теплопроводность, плотность и вязкость конденсата при температуре конденсации.

По формуле (5)

.

Режим движения воды в трубках аппарата:

– турбулентный, так как Re>10⁴.

Для расчета процесса теплоотдачи в закрытых каналах при турбулентном режиме движения и умеренных числах Прандтля (Рr< 80) рекомендуется уравнение [1, с. 23]:

, (6)

где

– критерий Нуссельта;

– критерий Рейнольдса;

– критерий Прандтля;

– отношение, учитывающее влияние направления теплового потока (нагревание или охлаждение) на интенсивность теплоотдачи.

Отношение

принимаем равным 1, тогда по формуле (6):

, а

.

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара [2, табл. ХХХI]:

,

а со стороны воды [2, табл. ХХХI]:

,

,

.

Тогда

Или

,

где

– сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений.

Так как теплообменная трубка тонкостенная (d_вн >

), то для расчета коэффициента теплопередачи применяют формулу для плоской стенки

, (7)

где

– коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды,

;

– сумма термических сопротивлений.

По формуле (7)

.