Расчет теплообменника

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

ρ_к = 945,574 кг/м³

λ_к = 0,682 Вт/м∙К

ν_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

ρ_вх = 970,4 кг/м³

t_вых = 114 ^оС

ρ_вых = 948, кг/м³

Средние значения:

t_ср = = = 98,9 ^оС

ρ = 960,1 кг/м³

ν = 2,97∙10^-7 м²/сек

λ = 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 = 20663,144 (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 φ=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)

, Вт/(м²∙^оС), (1)

где α₁ - средний коэффициент теплоотдачи при конденсации греющего пара на наружной поверхности трубок, Вт/(м²∙^оС);

α₂ - средний коэффициент теплоотдачи при течении воды в трубках, Вт/(м²∙^оС);

λ_ст = 100 Вт/м∙^оС - коэффициент теплопроводности латуни при средней температуре стенки.

Для определения величины α₁ необходимо вначале установить режим течения пленки конденсата. Для этого определяем значение числа Рейнольдса пленки конденсата

,

где r - скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

ρ_к, ν_к - плотность и кинематическая вязкость конденсата, кг/м³ и м²/с, соответственно.

Re_к =

При Re > Re_кр  10⁴

, Вт/(м²∙^оС),

где λ_к=0,679 Вт/м∙^оС - коэффициент теплопроводности конденсата

 (Вт/м²∙^оС)

Для расчета α₂ необходимо определить значение средней температуры воды, при которой определяются значения теплофизических свойств воды. Она равна

.

 (^оС)

Тогда число Рейнольдса воды

,

где ν_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; λ - коэффициент гидравлического трения (безразмерен); L - суммарная длина прямолинейных участков труб по ходу течения воды, м; d_вн = 0,015 - внутренний диаметр труб, м;ρ = 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 δ - абсолютная шероховатость стенок труб (для стали δ = 0,1 мм)

d_вн - внутренний диаметр трубок, мм.

Определяем значение числа Рейнольдса:

,

где ν - 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;

φ=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