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/(кгК);

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 = 217110³ 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/(м²К), 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)

.

Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле (1):

м².

Площадь поверхности теплообмена выбранного теплообменного аппарата F=17,5 м² , что отвечает требуемой поверхности, т.е. для выполнения уточненного расчета оставляем ранее выбранный в ориентировочном расчете аппарат.

1.7 Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи. Окончательный выбор теплообменного аппарата

Уточненным называется расчет коэффициентов теплоотдачи с учетом температуры стенки.

Расчет температуры стенки ведем методом последовательных приближений.

Первое приближение.

Задаемся значением температуры стенки со стороны пара, равным = 100⁰С.

Расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации пара с учетом температуры стенки на пучке вертикальных труб будем вести по формуле [1, с. 24]:

, (8)

где , , , - плотность, теплопроводность, удельная теплота конденсации, динамическая вязкость пленки при ; - разность температур стенки и конденсирующегося пара;

- длина труб.

Температура пленки: ⁰С.

Для = 16,5 ⁰С:

= 59,06·10^-2 Вт/(м·К);

= 998,7 кг/м^3;

= 2460,85 ·10³ Дж/кг; = 1108 ·10^-6 Па·с.

По формуле (8):

Вт/(м²·К).

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды [1, с.16]:

, (9)

По формуле (9):

⁰С.

При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]

(Рr_ст2 )_І= 2,48.

С учетом температуры стенки

;

.

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:

Сравнивая (q₁)_I с (q₂)_I, приходим к выводу, что 91571,5>>52088, поэтому расчет температуры стенки продолжаем, задаваясь другим значением температуры стенки со стороны пара.

Второе приближение

Задаемся температурой стенки со стороны пара (t_ст1)_II = 105 ⁰С.

Температура пленки: ⁰С, тогда = 133-105 = 28 ⁰С

Для = 14 ⁰С:

= 58,46·10^-2 Вт/(м·К);

= 999,2 кг/м^3;

= 2467,6 ·10³ Дж/кг;

= 1186 ·10^-6 Па·с.

По формуле (7):

Вт/(м²·К).

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):

⁰С.

При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]

(Рr_ст2 ) = 2,158.

С учетом температуры стенки:

;

.

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:

И во втором приближении разница между (q₁)_ІІ и (q₂)_II более 5%

Расчет продолжаем, определяя t_ст1 графически по пересечению линий q₁=f(t_ст1) и q₂=f(t_ст2)

По найденному графически температуре (t_ст1)_ІІІ=104,15С выполняем третий, проверочный расчет.

Температура пленки: ⁰С, тогда = 133-104,5 = 28,85 ⁰С

Для = 14,425 ⁰С:

= 58,56·10^-2 Вт/(м·К);

= 999,15 кг/м³;

= 2466·10³ Дж/кг;

= 1173 ·10^-6 Па·с.

По формуле (7):

Вт/(м²·К).

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара:

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды по формуле (9):

⁰С.

При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]

(Рr_ст2 )= 2,1.

С учетом температуры стенки:

;

.

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:

Сравнивая (q₁)_III с (q₂)_ІІІ, приходим к выводу, что отклонение

т.е. не превышает 5%, поэтому расчет можем считать законченным.

Удельные тепловые потоки по обе стороны стенки равны (рис.2)

Рис. 2 Схема процесса теплопередачи

По формуле (7) коэффициент теплопередачи:

.

Площадь поверхности аппарата определяем по формуле (1):

м²,

По [1, табл. 1.8] ГОСТ 15122-79 окончательно выбираем двухходовой аппарат диаметром d=325 мм, с числом труб n = 56 шт, с длиной теплообменных труб L = 4000 мм и F = 17,5 м².

1.8 Обозначение теплообменного аппарата

1. Диаметр кожуха D = 325 мм по [1, с. 29] ГОСТ 9617-76.

2. Тип аппарата ТНВ – теплообменник с неподвижными трубными решётками вертикальный.

3. Условное давление в трубах и кожухе – 0,3 МПа.

4. Исполнение по материалу – М₁.

5. Исполнение по температурному пределу – 0 – обыкновенное.

6. Диаметр трубы d= 25 мм.

7. Состояние поставки наружной трубы – Г – гладкая.

8. Длина труб L= 4,0 м.

9. Схема размещения труб – Ш – по вершинам равносторонних треугольников.

10. Число ходов – 2.

Группа исполнения – А.