Расчет теплообменника

1. Задача 1

Выполнить конструкторский расчет вертикального подогревателя низкого давления с пучком U-образных латунных труб диаметром d=16?0,75 мм. Цель расчета: определение требуемой поверхности теплообмена и геометрических параметров пучка (количество труб и их длина).

Исходные данные:

р_гр = 0,18 МПа = 1,8 бар

t_гр = 117 ^оС р_в = 2,2 МПа = 22 бар

t_в^вх = 83,7 ^оС

G_в = 162 кг/с

n_ходов = 2

Решение Приняв недогрев нагреваемой воды на выходе из подогревателя до температуры насыщения греющего пара равным 3^оС, определяем температуру на выходе из подогревателя

t_в^вых = 117 — 3 = 114 (^оС) Значение температуры насыщения, соответствующее, а также все последующие, необходимые для расчета, значения теплофизических параметров нагреваемой воды, греющего пара и его конденсата определяем по «Таблицам воды и водяного пара».

Греющий пар:

t_гр = 117 ^оС

p_гр = 0,18 МПа = 1,8 бар

h_п = 2701 кДж/кг

Конденсат:

h_к = 490,7 кДж/кг

r = h_п — h_к = 2701−490,7=2210,3 кДж/кг с_к = 945,574 кг/м³

л_к = 0,682 Вт/м•К н_к = 2,523 • 10^-7 м²/сек

Pr = 1,481

Нагреваемая среда:

p = 2,2 МПа = 22 бар

t_вх = 83,7 ^оС

h_вх = 352,24 кДж/кг с_вх = 970,4 кг/м³

t_вых = 114 ^оС с_вых = 948, кг/м³

Средние значения:

t_ср = = = 98,9 ^оС с = 960,1 кг/м³

н = 2,97•10^-7 м²/сек л = 0,679 Вт/м•К

Pr = 1,77

Найдя по «Таблицам» значения энтальпий воды на входе и выходе, а также энтальпий пара на входе и конденсата на выходе, определяем из уравнения теплового баланса расход греющего пара:

и количество теплоты, передаваемое греющим паром в подогревателе нагреваемой воде,

Q = 9,443•2210,3•0,99 = 20 663,144 (кДж/сек) где — КПД подогревателя, принимаемый равным = 0,99?0,995.

Требуемая величина поверхности теплообмена из уравнения теплоотдачи равна:

где — среднелогарифмический температурный напор;

k — коэффициент теплопередачи, значения которого для подогревателей с U — образными латунными трубами находятся в диапазоне от 2,5 до 3 кВт/(м²•град).

F = (м²)

Задавшись значением k и определив значение F, определяем основные геометрические размеры подогревателя. Приняв шахматное расположение труб в трубной доске (S₁=22 мм и S₂=19 мм) с коэффициентом заполнения трубной доски трубками ц=0,48 и скоростью движения воды в трубках w_в= (0,8?1) м/с, определяем число параллельных труб по ходу воды:

где d_в — внутренний диаметр трубок, м.

z₁ = (шт.)

При этом общее количество трубных концов, развальцованных в трубной доске

z = 1125 • 2 = 2250 (шт.)

Площадь трубной доски, занятая трубками,

F_тр = (м²)

а средняя длина трубок

L = (м) где d_н — наружный диаметр трубок, м.

Рис. 1

Изобразив конструктивную схему подогревателя с разбиением его по высоте на отсеки (расстояние между дистанционирующими перегородками) так, чтобы их количество n_отс было от 4 до 6, определим среднюю активную длину труб в отсеке:

.

H = (м) Приступаем к определению расчетного значения коэффициента теплопередачи:

Вт/(м²•^оС), (1)

где б₁ — средний коэффициент теплоотдачи при конденсации греющего пара на наружной поверхности трубок, Вт/(м²•^оС);

б₂ — средний коэффициент теплоотдачи при течении воды в трубках, Вт/(м²•^оС);

л_ст = 100 Вт/м•^оС — коэффициент теплопроводности латуни при средней температуре стенки.

Для определения величины б₁ необходимо вначале установить режим течения пленки конденсата. Для этого определяем значение числа Рейнольдса пленки конденсата

где r — скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

с_к, н_к — плотность и кинематическая вязкость конденсата, кг/м³ и м²/с, соответственно.

Re_к =

При Re > Re_кр 10⁴

Вт/(м²•^оС),

где л_к=0,679 Вт/м•^оС — коэффициент теплопроводности конденсата

(Вт/м²•^оС) Для расчета б₂ необходимо определить значение средней температуры воды, при которой определяются значения теплофизических свойств воды. Она равна

.

(^оС) Тогда число Рейнольдса воды

где н_в — кинематическая вязкость воды, м²/с.

При Re > Re_кр10⁴, среднее значение числа Нуссельта воды

где Pr_в — число Прандтля воды.

Средний коэффициент теплоотдачи от воды к стенке:

(Вт/м²•^оС).

Подставив рассчитанные значения и в формулу (1), определим расчетное значение k_расч, и сопоставив его со значением k, принятым при расчете F, получим отклонение .

(Вт/м²•^оС)

< 1%, расчет закончен.

2. Задача 2

Определить гидравлическое сопротивление внутритрубного тракта горизонтального пароводяного подогревателя.

Исходные данные:

d_вн = 15 мм = 0,015 м

n_тр = 216 шт.

l_тр = 4000 мм = 4 м

t_в = 70 ^оС

p_в = 1,5 МПа

G_в = 30 кг/с

n_ход = 2

Вариант конструкции — U-образные трубы.

Решение

Полное падение давления при протекании воды по внутритрубному тракту складывается из потерь на трение и на местные гидравлические сопротивления:

[Па], (1)

где — гидравлические потери на трение, Па;

— местное гидравлическое сопротивление, Па;

л — коэффициент гидравлического трения (безразмерен);

L — суммарная длина прямолинейных участков труб по ходу течения воды, м;

d_вн = 0,015 — внутренний диаметр труб, м;

с = 978,38 — плотность воды, кг/м³;

w = 0,45 — средняя скорость течения воды в трубах, м/с;

= 12,5 — коэффициент местного гидравлического сопротивления (безразмерен);

Значения величины для характерных для внутритрубного тракта местных сопротивлений:

w_i — скорость течения воды в местном гидравлическом сопротивлении, м/с.

(м/с) Определяем относительную шероховатость труб по формуле:

где д — абсолютная шероховатость стенок труб (для стали д = 0,1 мм)

d_вн — внутренний диаметр трубок, мм.

Определяем значение числа Рейнольдса:

где н — кинематическая вязкость воды, м²/с.

и значение коэффициента гидравлического трения

Для определения скоростей во входном и выходном патрубках теплообменника необходимо задаться их диаметрами. Для этого следует определить диаметр трубной доски:

где — наружный диаметр трубок, м;

ц=0,48 — коэффициент заполнения трубной доски трубками.

(м) Диаметры входного и выходного патрубков принимаются равными:

.

D_патр = 0,24 • 0,360 = 0,0936 (м) Определив величину скорости в патрубках

(м/с) < 5,0 м/с Величина L, входящая в формулу (1), является суммарной длиной прямолинейных участков труб по ходу движения воды, т. е.

.

L = 2 • 4 = 8 (м) Определив все вышеуказанные величины, по формуле (1) определяется полное гидравлическое сопротивление внутритрубного тракта пароводяного теплообменника.

(Па)

(Па)

(Па)

Ответ: 3094,19 Па.

подогреватель труба теплообмен сопротивление