Тепловой и конструктивный расчет теплообменного аппарата.

Введение

Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором одна жидкость - горячий теплоноситель, передаёт тепло другой жидкости - холодному теплоносителю. В качестве теплоносителей в тепловых аппаратах используются разнообразные капельные и другие жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур.

Тепломассообменные аппараты могут иметь самые разнообразные назначения: паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели и т.д.

В зависимости от теплоносителя водоподогреватели подразделяются на пароводяные и водоводяные.

В системах отопления и горячего водоснабжения со значительными расходами теплоты и при присоединении к теплоносителям от крупных центральных источников теплоснабжения, применяют скоростные водоподогреватели. Эти водоподогреватели благодаря большим скоростям прохода нагреваемой и греющей воды обладают повышенной теплоотдачей нагревательных поверхностей, а следовательно, и малыми размерами.

Водоподогреватели можно устанавливать как из отдельных, так и из нескольких секций с последовательным или параллельно-последовательным их соединением по греющей и нагреваемой воде. В системах отопления греющая вода проходит внутри трубок, а нагреваемая в межтрубном пространстве.

В теплообменных аппаратах движение жидкости осуществляется по трём основным схемам.

Если направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадает, то такое движение называется прямотоком. Если направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется противотоком. Если горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется поперечным током.

 

Тепловой и конструктивный расчет теплообменного аппарата.

 

1. Определить средние температуры теплоносителей t и разделительной стенки.

 

где t¹ и t¹¹ - температура теплоносителей на входе в ТА и на выходе из него, ⁰С.

 

2. По справочным данным [1] находим теплофизические характеристики теплоносителя и представим в виде таблицы 1.

Таблица-1. Теплотехнические характеристики теплоностелей.

№	показатель	Обозн.	Единица измер.	Значение показателя теплоносителя
греющего	Нагреваемого
	Ср. темп. теплонос.	t	0С
	Ср. темп. стенки	tст	0С	96,5	96,5
	Изобарная теплоём.	Ср	кДж/кг град	4,2265	4,174
	Плотность	ρ	кг/м3	954,7	994,3
	Коэф. кинемат. вяз-и	ν	м2/с	0,2743*10-6	0,7466*10-6
	Коэф. теплопров.	λ	Вт/м град	68,45*10-2	61,8*10-2
	Число Прандтля при t	Pr	-	1,675	5,014
	Число Прандтля при tст	Pr ст	-	2,248	2,248
	Водяной эквивалент	W	кВт/град	10,82	16,70

 

3. Из уравнения теплового баланса находим расход греющего теплоносителя.

Q = G₁C_p1(t₁¹ - t₁¹¹)η_П = G₂C_p2(t₂¹¹ - t₂¹),

где: Q - тепловая мощность, передаваемая от греющего теплоносителя к нагреваемому, кВт;

G₁, G₂ - массовый расход греющей и нагреваемой воды, кг/с;

C_p - изобарная теплоёмкость, кДж/кг град;

t¹, t¹¹ - температура теплоносителя на входе в ТА и на выходе из него,⁰С;

η_П = 0,97 - коэффициент, учитывающий снижение тепловой мощности ТА из-за потерь тепла в окружающую среду.

Q = G₂C_p2(t₂¹¹ - t₂¹) = 4*4,174*10³(56-12) = 734,62 кВт;

 

 

4. Определяем значение водяных эквивалентов теплоносителей:

W₁ = G₁*C_p1 = 2,56*4,227 = 10,82 ^кВт/_град;

W₂ = G₂*C_p2 = 4*4,174 = 16,70 ^кВт/_град;

Найдём отношение:

и на основании отношения принимаем схему движения теплоносителей в ТА - прямоток. [1].

5. Построим для принятой схемы движения график изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена и вычислим больший Δt_Б F = 0 и меньший Δt_м при F = F температурные напоры.

Средний температурный напор вычисляется по формуле:

 

 

 

Δt_Б = t₁¹ - t₂¹¹ = 140-56 = 84 ⁰С;

Δt_м = t₁¹¹ - t₂¹ = 70 - 12 = 58 ⁰С;

 

5.
Определяем величину соотношения:

n₂ = d_н/d_в = 0,016/0,014 = 1,14,

где: d_н,d_в-наружный и внутренний диаметр трубки патрубка решетки, м.

 

7. Принимаем в зависимости от значения n₂ соответствующую форму расчета коэффициента теплопередачи:

 

где: α_Т - коэффициент теплоотдачи теплоносителем, движущимся по трубной решётке и стенкой, Вт/(м² град);

α_м - коэффициент теплоотдачи теплоносителем, движущимся в межтрубном пространстве и стенкой, Вт/(м² град);

δ = (d_H - d_B)/2, м - толщина стенки трубы.

δ = (0,016-0,014)/2 = 0,001м

δ_н = 5*10^-4 - толщина слоя накипи, м;

λ и λ_н - коэффициенты теплопроводности материала трубки и накипи [2], Вт/м*град.

λ = 108,4 Вт/м*град; λ_н = 1,4 Вт/м*град.

8. Определим число трубок z и расчетную скорость движения теплоносителя W¹_Т в трубной решёте.

Из уравнения неразрывности потока, задавшись ориентировочной скоростью W¹_Т:

G₁ = W¹_Т*f*ρ_T*z¹,

где: f - площадь поперечного сечения трубки;

f = 0,785d_B² = 0,785*0,01² = 0,00015 м²;

z¹ - расчетное число трубок в трубной решетке:

W¹_Т
= 2,3 м/с

Для дальнейших расчётов задаёмся схемой расположения трубок в трубной решётке по приложению 2[3] в виде концентрического пучка.

На приведенных в приложении 2[3] схемах размещения трубок в трубной решетке, расстояние между осями трубок (шаг) принимается S=1,4* d_н =1,4*0,016 = 0,0224 м зазор между наружным диаметром крайней трубки и внутренним диаметром кожуха ТА К_м>6*10^-3 м, наибольшее расстояние между осями труб решётки D¹ зависит от шага S и от концентрических окружностей, на которых размещены центры трубок.

Стандартное число трубок z и соотношение n₃ = D¹/S для концентрического расположения трубной решетки приведены в приложении 3[3].

По рассчитанной величине z¹ и принятой схеме расположения трубок в решетке принимаем стандартное число трубок z и вычисляем действительную скорость движения теплоносителя по трубкам.

z = 7; n₃ = D¹/S = 2;

W_T = 2,3*7/7 = 2,3 м/с.

9. Определим коэффициент теплоотдачи в трубной решетке α_Т в следующем порядке:

Определим режим движения теплоносителя в трубках по
Принимаем по найденному режиму движения соответствующее уравнение и рассчитываем число Нусельта (приложение 4[3]).

 

Найдем коэффициент теплоотдачи в трубной решётке:

10. Определим коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве в следующем порядке:

Определяем значение шага S = 0,0224 м;

По принятому значению числа трубок z и соотношению n₃ = D¹/S найдем расстояние D¹ = n₃*S₃ = 2*0,0224 = =0,0448 м;

Задаёмся величиной К_м в соответствии с неравенством К_м = 6*10^-3 м;

Определяем внутренний диаметр кожуха ТА:

D_в = D¹ + d_н +2К_м = 0,0448+0,016+2*6*10^-3 = 0,0728 м.

С учетом рассчитанного значения D_в подбираем соответствующую стандартную трубу по ГОСТ 8732-78 трубы стальные бесшовные [4].

Обозн.

Dв, мм

L, мм

L1, мм

L2, мм

l, мм

H, мм

h, мм

dн, мм

dв, мм

Пл.нагр., м2

Число тр.

Масса одн. с-ии, кг

1,31

61,6

10.1. Найдем эквивалентный диаметр межтрубного пространства:

где: F_м - площадь свободного поперечного сечения межтрубного пространства, м²;

S_м - смоченный периметр межтрубного пространства, м².

10.2. Рассчитываем скорость движения теплоносителя в межтрубном пространстве:

10.3.
Определим режим движения теплоносителя в межтрубном пространстве, рассчитав число Рейнольдса:

10.4.
Подбираем аналогично п. 9.2. расчетное уравнение для числа Нусельта Nu_м, определим Nu_м и найдем коэффициент теплоотдачи:

11. Найдём коэффициент теплопередачи:

12. Рассчитываем поверхность теплообмена ТА из основного уравнения теплопередачи:

13. Определяем
общую длину труб по ходу теплоносителя в ТА:

14.
Найдём число секций, приняв длину одной секции l = 4 м.

15.
Рассчитываем внутренние диаметры патрубков подвода и отвода воды в трубную решётку d_т и в межтрубное пространство d_м:

где: W_d - допустимая скорость движения воды в патрубках.

W_d = 2 ^м/_с;

По рассчитанным значениям d_т и d_м подбираем трубы по ГОСТу 8732-78 трубы стальные бесшовные [4].

16.
Подбираем фланцы для кожуха ТА и патрубков подвода теплоносителей в зависимости от диаметра принятых труб:

Гидравлический расчет

 

Цель гидравлического расчета - определение гидродинамических потерь напора при движении теплоносителя через ТА.

17. Рассчитываем гидравлическое сопротивление при движении теплоносителя по трубкам и в межтрубном пространстве. Суммарное гидравлическое сопротивление складывается из потерь давления на трение о стенки ΔР_тр и на преодоление местных сопротивлений ΔР_местн.

ΔР = ΔР_тр + ΔР_местн.

Для теплоносителя, движущегося по трубам,

где: λ_тр - коэффициент гидравлического сопротивления, зависящий от режима движения жидкости (приложение 5[3]);

ζ - коэффициент местного сопротивления, определяемый по справочной литературе [4].

Вычислим скорость для подобранного водоподогревателя:

где: f - площадь живого сечения трубок, м².

Σζ = 49,9

Для теплоносителя, движущегося по межтрубному пространству:

где: 0,5 - уменьшение длины пути теплоносителя в межтрубном пространстве за счет сдвига.

Σζ = 48,6

18. Определим по суммарному гидравлическому сопротивлению тракта мощность электродвигателя для перемещения теплоносителей по трубам N_Т и в межтрубном пространстве N_м:

где: η_эл = 0,75 - КПД насоса