Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Теовой расчет

1. Тепловой расчет

Цель теплового расчета – определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса и выбор стандартизованного теплообменника [1].

Из основного уравнения теплопередачи:

, (1)

где F – площадь теплопередающей поверхности, м2;

Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

K – коэффициент теплопередачи, ;

– средний температурный напор, К.

Определение тепловой нагрузки аппарата

Нагревание воды осуществляется в теплообменнике теплотой конденсирующегося водяного пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле

, (2)

где Gхол – массовый расход воды, кг/с, ;

Схол – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кг×К);

Тк, Тн – конечная и начальная температуры воды, К;

r – скрытая теплота конденсации пара, Дж/кг.

; ;

Тогда

Вт,

Вт.

Суммарная тепловая нагрузка:

Определение расхода пара и температуры его насыщения

Расход пара определим из уравнения:

(3)

где Gв – расход вода, кг/с;

Св – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/кг К.

кг/с.

Определим неизвесную температуру на границе зон из уравнения:

(4)

Откуда:

Для дальнейших расчетов принимаем среднее значение температур:

Расчет температурного режима теплообменника

Цель расчета – определение средней разности температур и средних температур теплоносителей tср1 и tср2. Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей.

Тн = 99,1 0С Пар Тк = 99,1 0С

tк = 53,94 0С Вода tн = 16 0С

_____________________________

0С 0С

Так как , то 0С.

Температура пара в процессе конденсации не изменяется, поэтому tср1 = Тп = 99,1 0С, а средняя температура воды : tср 2 = tср 1- tср = 99,1-64,13=34,97 0С.

Для определения средней разности температур в зоне охлаждения пара используем схему

Тн = 99,1 0С Пар Тк = 84,1 0С

tк = 17,08 0С Вода tн = 16 0С

_____________________________

0С 0С

Так как , то 0С.

Температура пара в процессе конденсации не изменяется, поэтому tср1 = Тп = 99,1 0С, а средняя температура воды : tср 2 = tср 1- tср = 74,7+55=64,85 0

Выбор теплофизических характеристик теплоносителей

Теплофизические свойства теплоносителей определяем при их средних температурах и заносим в таблицу 1.

Таблица 1.1

Теплофизические свойства теплоносителей в зоне конденсации пара

Пространство и процесс	Физические величины	Обознач.	Числовые значения
1	2		4
Межтрубное пространство, конденсация пара	Средняя температура конденсата, 0С	Тср(ох)	99,1
	Плотность конденсата, кг/м3		955,3
	Удельная теплоемкость, Дж/(кг×К)	С1	4,23∙103
	Теплопроводность , Вт/(м×К)		63,55×10-2
	Динамическая вязкость, Па×с		278,73×10-6
	Кинематическая вязкость, м2/с		951,8
	Число Прандтля	Pr	34,97
Трубное пространство, нагревание воды	Средняя температура воды, 0С	tср(ох)	34,97
	Плотность, кг/м3		989,4
	Удельная теплоемкость, Дж/(кг×К)	С	4,18∙103
	Теплопроводность, Вт/(м×К)		62,01∙10-2
	Динамическая вязкость, Па×с		587,23×10-
	Кинематическая вязкость, м2/с		0,608×10-6
	Число Прандтля	r	3,9

Теплофизические свойства теплоносителей в зоне охлаждения пара

Межтрубное пространство, конденсация пара	Средняя температура конденсата, 0С	Тср(к)	99,1
	Плотность конденсата, кг/м3		964
	Удельная теплоемкость, Дж/(кг×К)	С1	4,23∙103
	Теплопроводность , Вт/(м×К)		68,04×10-2
	Динамическая вязкость, Па×с		315,02×10-6
	Кинематическая вязкость, м2/с		0,326
	Число Прандтля	Pr1	1,95
Трубное пространство, нагревание воды	Средняя температура воды, 0С	tср(к)	64,85
	Плотность, кг/м3		999,2
	Удельная теплоемкость, Дж/(кг×К)	С	4,19∙103
	Теплопроводность, Вт/(м×К)		58,70∙10-2
	Динамическая вязкость, Па×с		1615×10-6
	Кинематическая вязкость, м2/с		1,24×10-6
	Число Прандтля	Pr	8,04

Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата.

Выбор конструкции аппарата

Ориентировочным расчетом называется расчет площади теплопередающей поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К, выбираемому из [1, табл. 1.3]. Принимаем К = 1000 Вт/(м2×К), поскольку теплота передаётся от конденсирующего пара к воде, тогда ориентировочное значение площади аппарата по формуле (1)

м2.

Так как в аппарате горячим теплоносителем является пар, то для обеспечения высокой интенсивности теплообмена со стороны воды, необходимо обеспечить турбулентный режим движения и скорость течения воды в трубках аппарата м/с [1, табл. 1.4].Для изготовления теплообменника выберем трубы стальные бесшовные диаметром 25 х 2 мм.

Определим скорость движения воды в трубках. Из уравнения расхода

, (5)

где V – заданный объемный расход воды, м3/с, V = 0,0096 м3/с;

dвн – внутренний диаметр теплообменных труб, dвн = 0,021 м;

nт – число труб в аппарате, шт; nх–число ходов в аппарате.

Из формулы (4):

-одноходовой м/с.

-двухходовой м/с.

-четырехходовой м/с.

-шестиходовой м/с.

Такому числу труб в одном ходе n = 194 шт и площади поверхности аппарата F = 31,0 м2 по [1, табл. 1.8] ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает кожухотрубчатый шестиходовой теплообменник диаметром 600 мм, с числом труб 194 в одном ходе, длиной теплообменных труб 2000 мм и площадью поверхности F = 31,0 м2.

Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи

Приближенным расчетом называется расчет коэффициентов и К по формулам, не учитывающим влияние температуры стенки теплопередающей поверхности на интенсивность теплоотдачи [1].

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке вертикальных труб рассчитывается по формуле [2]

, (6)

где G – массовый расход конденсирующегося пара, G = 0,694 кг/с;

n – число труб в аппарате с наружным диаметром d, шт;

– теплопроводность, плотность и вязкость конденсата при температуре конденсации.

По формуле (5)

Режим движения воды в трубках аппарата:

– турбулентный, так как Re>104.

Для расчета процесса теплоотдачи в закрытых каналах при турбулентном режиме движения и умеренных числах Прандтля (Рr < 80) рекомендуется уравнение [1, с. 23].

, (7)

– критерий Нуссельта.

– критерий Рейнольдса.

– критерий Прандтля.

– отношение, учитывающее влияние направления теплового потока.

Отношение принимаем равным 1, тогда по формуле (7)

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны пара [2]

а со стороны воды [2].

Толщина поверхности , теплопроводность материала .

Тогда

или ,

где – сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений.

Так как теплообменная трубка тонкостенная (dвн > ), то для расчета коэффициента теплопередачи применяют формулу для плоской стенки

, (8)

где – коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды, ;

– сумма термических сопротивлений.

По формуле (7)

Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле (1):

м2.

Зона охлаждения.

При стекании жидкости по вертикальной поверхности критерий Rе рассчитывается по формуле

(9)

Режим движения– ламинарный, так как Rе 104.

Линейная плотность орашения

(10)

Периметр, по которой течет пленка

Приведенная толщина стекающей плёнки

м2.

Интенсивность теплоотдачи

Поскольку , откуда 1133.3 ;

Режим движения в трубках зоны охлаждения пара

– турбулентный, так как Re>104.

Поскольку число Рейнольдса Re>4000, то число Нуссельта находим по формуле:

Тогда

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны пара [2]

а со стороны воды [2].

толщина поверхности, теплопроводность материала .

Тогда

или ,

где – сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений.

, (8)

где – коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды, ;

– сумма термических сопротивлений.

По формуле (7)

Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле (1):

м2.

Суммарная необходимая площадь

м.

Итак, площадь выбранного теплообменного аппарата F=31,0 м2 превышает необходимую Fр=21,48 м2, длина труб L=2 м.

1.7 Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи. Окончательный выбор теплообменного аппарата

Уточненным называется расчет коэффициентов теплоотдачи с учетом температуры стенки.Расчет ведём методом последовательных приближений.

Первое приближение.

Для первого приближения зададимся значением температуры стенки со стороны конденсирующегося пара к стенке =94,9 0С .

Находим значение температуры пленки конденсата

(11)

С.

Расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации пара с учетом температуры стенки на пучке вертикальных труб будем вести по формуле [6, с. 304].

0С,

(12)

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды:

, (13)

0С.

При этой температуре для воды [2, рис.] (Рrст2 )І= 2,5.

С учетом температуры стенки

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:

Сравнивая (q1)I с (q2)І, приходим к выводу, расчет необходимо продолжить

Второе приближение.

Для второго приближения зададимся ,

Тогда по формуле (8)

0С.

Расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации пара с учетом температуры стенки на пучке вертикальных труб будем вести по формуле [6].

0С,

(12)

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара

Вт/м2.

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды:

, (13)

0С.

При этой температуре для воды [2] (Рrст2 )І= 3,7.

С учетом температуры стенки

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:

Вт/м2.

По найденной графически температуре выполняем третий, проверочный расчет.

Рис. 1.1. Графическое определение

Значение температуры стенки со стороны пара =86,020С.

Тогда по формуле (8)

0С.

0С,

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды:

0С.

При этой температуре для воды [2, рис. ХIII] (Рrст2 )І= 2,7.

С учетом температуры стенки

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды:

Сравнивая (q1)III с (q2) III , приходим к выводу, что отклонение

т.е. не превышает 5%, поэтому расчет можем считать законченным.

Удельные тепловые потоки по обе стороны стенки равны (рис.2)

По формуле (7) коэффициент теплопередачи

Площадь поверхности аппарата определяем по формуле (1)

м2,

Суммарная необходимая площадь

м.

Запас площади поверхности теплообменного аппарата

По [1, табл. 1.8] ГОСТ 15122-79 окончательно выбираем шестиходовой аппарат диаметром d=600 мм, с числом труб n = 194 шт, с длиной теплообменных труб L = 2000 мм и F = 31,0 м2.

Обозначение теплообменного аппарата

Диаметр кожуха D = 600 мм по [1, с. 29] ГОСТ 9617-76.
Тип аппарата ТНВ – теплообменник с неподвижными трубными решетками вертикальный.
Условное давление в трубах и кожухе – 0,6 МПа.
Исполнение по материалу – М1.
Исполнение по температурному пределу – О – обыкновенное.
Диаметр трубы d= 25 мм.
Состояние поставки наружной трубы – Г – гладкая.
Длина труб L= 3 м.
Схема размещения труб – Ш – по вершинам равносторонних треугольников.
Число ходов – 6.

Группа исполнения – А.

Теплообменник гр. А ГОСТ 15122-79.

					КП-02068108-ПАПП-260601-04.10-2012 ПЗ	Лист

Изм.	Лист	№ докум.	Подпись	Дата

					КП-02068108-240502-ПАХТ-23.7-06 ПЗ

Изм	Лист	№ докум.	Подпись	Дата
Разработал		Исаев				Лит.	Лист	Листов
Проверил		Смирных
						ВГТА Х-033
Н. контр
Утв.