Расчет горизонтального кожухотрубного теплообменного аппарата
Задано:
Провести конструктивный и тепловой расчет горизонтального кожухотрубного теплообменного аппарата, в котором насыщенным паром с давлением рн греется проходящая по трубам вода от температуры 
до температуры 
, проходящая по трубам. Объемный расход воды составляет величину - V2.
№ вар. p н, МПа 
, 0С 
, 0С V 2, м3/c dн /dвн,
мм Материал трубокКоэф. Теплопров-сти l,Вт/(м К) Скорость воды
| w 2, м/с | ||||||||
| 0,8 | 6·10-3 | 16/14 | латунь | 1,0 |
Расчет
1.1 Трубки теплообменного аппарата выполнены из латуни, для которой коэффициент теплопроводности:
Вт/м·К.
Внешний диаметр трубы dн = 16 мм и внутренний диаметр dвн = 14 мм.
Скорость движения воды по трубам w2 = 1 м/с.
труба температура вода теплообменный аппарат
1.2 Определяем среднюю температуру воды и её свойства при этой температуре:
= 0,5(t'2 + t''2) = 0,5(10 + 70) = 40 °C
кг/м3
кДж/кг·К и
кДж/кг·К
Свойства конденсата будем брать при температуре насыщения 
, соответствующей рн = 0,8 МПа.
Из уравнения теплового баланса:
,
Q2 =6·10 -3· 992,2·(4,187·70 - 4,191·10)·103 ≈ 1495,33·103 Вт.
1.4 Определяем среднелогарифмический температурный напор:
, где
;
;
.
Определяем площадь проходного сечения трубок для воды:
м2.
. Найдем площадь внутреннего сечения одной трубы:
м2.
.Определяем необходимое число параллельно включённых трубок:
.
Принимаем n = 40.
Определение коэффициента теплопередачи
. В первом приближении примем температуру стенки трубы равной средней температуре между теплоносителями:
.
2.2.Находим значения теплофизических характеристик конденсата при температуре конденсации tконд. =170°С:
r = 2049,5 кДж/кг·К; ρ = 897,3 кг/м3; λ = 0,679 Вт/м·К; μ =162,4113·10-6 Па·с, и при температуре стенки 
:
λст = 0,684 Вт/м·К и μст = 271,1348·10-6 Па·с.
.Определим коэффициент теплоотдачи от горячего пара к стенке трубы с холодной водой по теоретической формуле Нуссельта для ламинарного течения плёнки при конденсации неподвижного насыщенного пара
α1 = 0,728· 
где
.
Вт/м2·К.
. Определяем режим течения воды в трубах, для этого находим критерий Рейнольдса:
.
При 
= 40 ˚C из справочника находим:
λж = 0,635 Вт/м·К; νж = 0,659·10-6 м2/с; и Рrж = 4,31.
При t = 105 ˚С находим Рrст =1,68. Тогда:
.
Так как Reкр = 104, то Re > Reкр, отсюда следует, что режим движения турбулентный.
. Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к холодной воде, движущийся по ней.
Воспользуемся формулой Михеева:
Предположим, что 
тогда εl = 1, найдем Nuж:
Откуда находим коэффициент теплоотдачи:
α2 = Nuж·λж/dвн = (144,232·0,635)/0,014=6542 Вт/м2 ·К.
. Определяем коэффициент теплопередачи:
Так как 
, то используем уравнение теплопередачи через плоскую стену, причем поверхность трубы будем считать по среднему диаметру:
.
k 
Вт/м2·К.
. Зная k, Q и ∆tср находим поверхность теплообмена F:
м2.
4.1. Уточним температуру стенки трубы со стороны пара:
.
. Температура стенки трубы со стороны воды:
.
. Повторяем расчет при уточненных значениях 
и 
(начиная с пункта 2.2)
Результаты повторного расчета:
| α1, Вт/м2·К | Nuж2 | α2, Вт/м2·К | k, Вт/м2·К | F, м2 |
| 146,7 | 3,464 |
Определяем расхождение:
% = 4,6 %.
Поскольку расхождения не превышают 10 %, то дальнейшие уточнение можно не делать.
. Задаемся коэффициентом использования поверхности теплообмена ηF = 0,8, тогда площадь теплообмена реального теплообменного аппарата будет:
м2.
. Определяем длину трубы l:
м.
. При l = 2,30 имеем, что:
Таким образом, предположение сделанное в пункте 2.5. расчета о том, что εl = 1 является верным.
. Согласно ГОСТ 25449-82 принимаем длину трубы теплообменного аппарата l = 3м ( 3000мм ), а поверхность теплообмена стандартного теплообменного аппарата F = 5 м2.
По ГОСТ 9929-79 (Основные параметры и размеры кожухотрубных теплообменных аппаратов, справочник «Промышленная теплоэнергетика и теплотехника», стр. 110) принимаем:
а) диаметр кожуха, мм:
наружный (изготавливается из труб)
D = 273 мм;
б) схема размещения теплообменных труб в трубных решетках: по вершинам равносторонних треугольниках;
в) шаг размещения теплообменных труб в трубных решетках:
S = 24 мм.