Раздел 2 Специальная часть
Выполнить тепловой расчет охладителя
Исходные данные для расчета охладителя пресной воды приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Исходные данные для расчета
Параметр | Обозначение | Размерность | Значение |
Объёмный расход пресной воды | Qпв | м3/ч | 8,0 |
Объёмный расход забортной воды | Qзв | м3/ч | 14,0 |
Температура пресной воды на входе | tпввх | °C | |
Температура пресной воды на выходе | tпввых | °C | |
Температура забортной воды на входе | tзввх | °C |
Расчет теплового баланса охладителя
Существует два вида тепловых расчетов теплообменных аппаратов: конструкторский (проектный) расчет и поверочный расчет.
Конструкторский расчет производят при проектировании теплообменного аппарата, когда известны или заданы расходы теплоносителей и их параметры на входе и выходе из теплообменного аппарата. Целью конструкторского расчета является определение, величины поверхности теплообмена выбранного типа теплообменного аппарата.
Поверочные тепловые расчеты выполняют для выявления возможности использования готовых или стандартных теплообменных аппаратов для тех или иных целей, определяемых технологическими требованиями.
Конструкторский расчет теплообменного аппарата непрерывного действия основан на совместном решении уравнения теплового баланса и уравнения теплопередачи.
Уравнение теплового баланса в общем виде можно представить следующим образом:
, (2.1)
где - количество передаваемого тепла, ккал/ч; и - расходы первичного и вторичного теплоносителей соответственно, кг/ч; и - изменения энтальпий (теплосодержаний) теплоносителей, ккал/кг; - тепловые потери, ккал/ч.
Если тепловые потери в окружающую среду выражать в долях от количества тепла, полученного вторичным теплоносителем, то уравнение (2.1) примет следующий вид:
,(2.2)
где - коэффициент тепловых потерь, определяемый опытным путем, он для кожутрубчатых ТОА находится в пределах 0,8-2,5 в зависимости от площади поверхности ТОА.
Расчет коэффициентов теплопередачи
Определение теплофизических свойств охлаждающей среды
Определение средней температуры пресной воды в теплообменнике:
tпвср = 0,5·(tпввх +tпввых), (2.3)
tпвср = 0,5·(47+36) = 41,5 °C
Определение плотности и теплоёмкости пресной воды при 41,5 °C по [16]:
Ρпв= 983 кг/м3, Cм = 4,163·103 Дж/кг·К
Определение массового расхода пресной воды:
Gпв = Qпв·ρпв, (2.4)
Gпв =(8000/3600)·983 = 2,22 кг/с
Определение количества отводимого тепла:
Q = Gпв·Cпв·(tпввх – tпввых), (2.5)
Q = 2,22·4,163·103 ·(47-36) = 520375 Дж/с
Принимаем температуру забортной воды на выходе tзввых =33,5 °C
Определение средней температуры забортной воды:
tзвср = 0,5·(tзввх + tзввых), (2.6)
tзвср = 0,5·(28 + 33,5) =30,75°C
Определяем плотность и теплоёмкость забортной воды при tзвср = 30,75 по [16]:
ρзв = 998,7 кг/м3, Cзв = 4,1795·103 Дж/кг·К.
Массовый расход забортной воды:
Gзв = Qзв · ρзв, (2.7)
Gзв =(14000/3600)·998,7 =3,88 кг/с.
В I приближении температура забортной воды tзввых.
tзввыхI = tзввх +[Q/(Cзв· Gзв)], (2.8)
tзввыхI =28 +[520375/(4,1795·3,88)] = 30,406°C
tзвср = 0,5·(tзввх + tзввыхI) = 0,5·(28 +28,406) = 28,2°C (2.9)
При tзвср = 28,2°C, Cзв = 4,189·103 Дж/кг·К.
Во II приближении температура забортной воды tзввых.
tзввыхII =28 +[520375/(4,189·3,88)] = 30,512°C (2.10)
Так как tзввыхI ~ tзввыхII принимаем окончательно tзввых =30,46°C
Средняя температура забортной воды на входе:
tзвср = 0,5·(tзввх + tзввых), (2.11)
tзвср = 0,5·(28 +30,46) = 29,23°C
Определяем теплофизические свойства забортной воды при данной температуре по [16]:
ρзв = 998,7 кг/м3 Cзв = 4,1795·103 Дж/кг·К Prзв =6,25
λзв = 43 ·10-2 Вт/м·К υзв = 0,91·106 м2/с μзв =776,1·106 Па·с
Принимаем скорость воды в трубках и материал трубок:
Wзв=2 м/с, материал – мельхиор (МНЖМц30-1-1) λтр = 195 Вт/м·К
Задаемся наружным диаметром трубок и толщиной стенки:
dн тр =0,010 м, δст =0,0012 м
Определяем число Рейнольдса для забортной воды:
Re = Wзв· dн тр/ υзв, (2.12)
Re = 2· 0,010/0,91·10-6 =21978,02
Задаемся шагом изменения температуры Δt = 2°C при 33°C < t <50°C.
Расчет коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи
Коэффициент теплоотдачи к воде при заданной температуре стенки:
αзв = 0,021·[λ/dвн]·Re 0,8·Pr 0,43 ·[Prж/Prст] 0,25, (2.13)
αзв = 0,021·[43·10-2/0,01]·21978,02 0,8·6,25 0,43 ·[6,25/3,1] 0,25 = 4370,8
Тепловой поток внутри трубок:
qзв = αзв·(tстзв- tзвср), (2.14)
qзв = 4370,8·(41,5-29,23)=141177,8
Температура стенки со стороны пресной воды:
tстпв = tстзв+ qзв·(δ/ λтр), (2.15)
tстпв =41,5 +141177,8·(0,0012/ 195)=42,37°C
Принимаем скорость течения воды в межтрубном пространстве Wпв = 2 м/с
Число Рейнольдса для пресной воды:
Reпв = Wпв· dн тр/υпв, (2.16)
Reпв = 2· 0,010/0,47·10-6 =21276,59
Коэффициент теплоотдачи пресной воды к стенке:
αпв= 0,3 ·(λпв/dн тр)·Re 0,5 ·Pr 0,35 ·(Prж/Prст)0,14, (2.17)
αпв= 0,3 ·(66·10-6/0,016)·21276,59 0,5 ·3,2 0,35 ·(3,2/3,2)0,14 = 10787,9
Тепловой поток в межтрубном пространстве:
qпв = αпв ·(tпввх –tпвср), (2.18)
qпв = 10787,9 ·(41,5-29,23) = 39051,7
Расчет коэффициента теплопередачи:
К= 1/[(1/αпв)+(δст/λст)+(1/αзв), (2.19)
К=1/[(1/10787,9)+(0,0012/195)+(1/4370,8) = 2787,019 Вт/м2·К
Среднелогарифмический температурный напор.
Δt =[(tпввх-tзввых)-(tпввых-tзввх)]/ln[(tпввх-tзввых)-(tпввых-tзввых)], (2.20)
Δt =[(47-30,46)-(36-28)]/ln[(47-33,5)-(36-33,5)] =32,558°С
Принимаем число ходов охлаждающей воды zзв=2 и коэффициент заполнения трубной доски ηтр = 0,85.