В противоточном кожухотрубном теплообменном аппарате (рис.1) греющим теплоносителем служат дымовые газы с температурой на

В противоточном кожухотрубном теплообменном аппарате (рис.1) греющим теплоносителем служат дымовые газы с температурой на входе t1 (℃) и температурой на выходе t1 (℃).Нагреваемой средой является вода с расходом G2 (кг/с), которая, двигаясь внутри стальных трубок наружного диаметра dн=29 мм с толщиной стенки ст , нагревается от температуры t2 (℃) до температуры t2 (℃). При прохождении воды в трубках образуется слой накипи толщиной нак и коэффициентом теплопроводности равным 1 Вт/(мК). Коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке трубки 1. Определить число секций теплообменника, если диаметр корпуса секции аппарата D должен быть 0,5…0,6 м и длина его l не должна превышать 5 м. Трубки расположены в шахматном порядке (рис. 2), шаг размещения трубок S выбрать в пределах S = (1,3…1,5) dн. Зазор между корпусом секции и расположенными к нему трубками не должен быть менее 0,5S. Исходные данные выбрать в табл. 1 согласно заданному варианту. Построить графики изменения температур теплоносителей. Вариант 18. Таблица 1 Исходные данные к заданию t1,℃ t1,℃ G2 , кг/с 1, Вт/(м2К). t2,℃ t2,℃ ст ,мм нак ,мм 480 220 3,3 45 12 130 2 1,5

1. Определение количества тепла (мощности), передающейся через рабочую поверхность теплообменника от греющей среды к нагреваемой по уравнению теплового баланса .Потерями тепла в окружающую среду пренебрегаем.
Q=G1cP1( t1- t1)= G2cP2( t2- t2) (1)
где :Q-тепловой поток, кВт;
G1, G2 - массовые расходы греющего и нагреваемого теплоносителей, кг/с;
cP1 ,cP2- удельные средние массовые изобарные теплоемкости греющего и нагреваемого теплоносителей, кДж/(кг·К) (см. табл. А.1-2, приложение А);
t1, t1- температура греющего теплоносителя на входе и выходе из аппарата, °С;
t2, t2- температура нагреваемого теплоносителя на входе и выходе из аппарата, °С.
2. Определим среднее арифметическое значение температуры нагреваемого теплоносителя и значение его физических свойств. Физические свойства приведены в табл. А.1 (приложение А).
t2ср=0,5( t2+ t2)= 0,5( 12+ 130)=71℃.
Физические свойства нагреваемой воды при t2ср=71℃.
2=972,1 кг/м3; cP2=4,188 кДж/(кг·К) ; 2=0,41*10-6 м2/с ; 2=0,6683 Вт/м*К; Pr2=2,52.
Тогда Q-тепловой поток, составляет :
Q=3,34,188(130-12)=1630,8 кВт
Среднее значение температуры греющего теплоносителя
t1ср=0,5( t1+ t1)= 0,5( 480+ 220)=350℃.
Определим приближенно температуру стенки трубы
tc=0,5( t1ср+ t2ср)=0,5(71+350)=210,5210℃
При этом значении Prс =0,91.
3. Определяем максимальное число параллельных включенных трубок n в одной секции. При размещении трубок в шахматном порядке, при использовании треугольной равносторонней разбивки с шагом S, трубки размещаются по сторонам правильных шестиугольников (рис. 2).
n 16(1 23... m) 13m3 m2 (2)
где m – число вписанных шестиугольников в диаметр секции.
m =(е-1)/2
где е – число трубок, размещенных по диагонали наибольшего шестиугольника;
е = D/S.
Шаг размещения трубок S = (1,3…1,5) dн=1,3829=40 мм
Примем диаметр корпуса секции аппарата D=600 мм.
Тогда число вписанных шестиугольников в диаметр секции
е = 600/40=15
m =(15-1)/2=7
Максимальное число параллельных включенных трубок n в одной секции
n 1373 72 =169 шт.
4 Определим значение скорости движения нагреваемого теплоносителя по уравнению неразрывности

.
ω2=4∙G2ρ2 ∙πdвн2∙n (3)
где dвн-внутренний диаметр теплообменных труб
dвн= dн-2ст=29-22=25 мм= 0,025 м
ω2=4∙3,3972,1∙3,14 0,0252∙169=0,041 м/с
5. Для определения коэффициента теплоотдачи 2 определим режим движения нагреваемого теплоносителя.
Число Рейнольдса рассчитывается при определящей температуре t2ср=71℃.
Re2= w2* dвн/2=0,0410,025/(0,41*10-6)=2500 10000.
Режим течения- переходный от ламинарного к турбулентному (2300Re210000)
По заданию длина труб секции l не превышает 5 м. Примем l=5 м.
При переходном режиме движения теплоносителей (2300 < Re < 104 ) безразмерный коэффициент теплоотдачи рассчитывают по формуле
Nu2=K0Pr0,43( Pr2 /Prс)0,25 (4)
[5], формула (1.48) , где комплекс K0 находят по [5], табл. 1.1 в зависимости от числа Рейнольдса K0=4,9.
Nu2=4,9 2,520,43( 2,52 /0,91)0,25=9, 41
Коэффициент теплоотдачи 2 определим по формуле
α2=Nu2∙2dвн=9,41∙0,66830,025=251,43 Вт/(м2К).
6. Определим линейный (т. е. отнесенный к 1 м длины) коэффициент теплопередачи по формуле
kl=11α2∙di+1+ii12i∙di+1di+1α1∙d1 (5)
Термические сопротивления слоев :
-от стенки к нагреваемой воде:
1α2∙dвн=1251,43∙0,025=0,1591 (м2К) / Вт
- накипь
12н∙lndвнdнак=121∙ln2522=0,0639(м2К) / Вт
dнак= dвн-2нак=25-21,5=22 мм
- стенка трубы
12ст∙lnd нdвн=1218∙ln2925=0,0041(м2К) / Вт
Примем материал стенки трубы нержавеющую сталь.
Коэффициент теплопроводности стали ст=18 Вт/м*К
-от дымовых газов к стенке :
1α1∙dн=145∙0,029=0,7663 (м2К) / Вт
kl=10,1591+0,0639+0,0041+0,7663 =1,01 Вт/(м2К).
7