Тепловой 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. 
     
     

          
    1. Определение тепловой нагрузки аппарата

   

        В рассматриваемой задаче нагревание воды осуществляется в горизонтальном теплообменнике теплотой конденсирующего пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле [6]: 

          

    ,                                                                      (2)

          

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

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

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

            – коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду при нагревании, = 1,05.

         Средняя температура воды:   

          

     0С ,

         Этому значению температуры соответствует

 

          

          

    .

    Тогда Вт, с учетом потери     Вт.  
     

      1.2 Определение расхода  пара и температуры  его насыщения 

         Расход  пара определим из уравнения:

                                        ,                                                                               (3) 

          где D – расход пара, кг/с;

            r – скрытая теплота конденсации пара, Дж/кг.

    По [2, прил. LVII] при Рп = 0,3 МПа, r = 2171×103 Дж/кг, Тк = 133 0С.

         Из  формулы (3) следует, что 

          

     кг/с. 
     
     
     
     

      1.3 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 = 191,7 0С  Пар  Тк = 191,7 0С

          

        tк = 96 0С     Вода   tн = 40 0С

          ________________________

           0С         0С 

        Так как  , то 0С.

         Температура пара в процессе конденсации не изменяется, поэтому    tср1 = Тп = 191,7 0С, а средняя температура воды : tср 2 = tср 1- tср = 191,7-123,7=68 0С. 
     
     
     
     
     
     

    1. Выбор теплофизических  характеристик теплоносителей
 
 

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

                                                                                                    Таблица 1

                                 Теплофизические свойства теплоносителей 

    
Пространство  и процесс Физические  величины Обозна-чения Числовые значения Ссылка на источник
1 2 3 4 5
Межтрубное  пространство, конденсация пара Средняя температура пара, °C t ср 1 133 2, табл. ХХХIХ
Плотность пара, кг/м3  
ρ1
 
 
 932,3
Удельная  теплоемкость пара, Дж/(кг·К) С1 4,27∙103
Теплопроводность  пара, Вт/(м·К)  
λ1
 
 
 68,57·10-2
Динамическая  вязкость пара, Па·с μ1 207,2·10-6
Кинематическая  вязкость пара, м2/с ν1  0,2218·10-6
Число Прандтля Pr1 1,293
Трубное пространство, нагревание воды Средняя температура  воды, 0С t ср 2 53 2,табл  ХХХIХ
Плотность воды, кг/м3  
ρ2 
 
 
 985,5
Удельная  теплоемкость воды, Дж/(кг·К) С2 4,18∙103
Теплопроводность воды, Вт/(м·К)  
λ2
 
 
 65,35·10-2
Динамическая  вязкость воды, Па·с μ2  509,5·10-6
Кинематическая  вязкость воды, м2/с ν2 0,4465·10-6
Число Прандтля Pr2 3,26
 

     
 
 
 
 
 
 
 
 

    1.5 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= 800 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. Принимаем число Рейнольдса Re = 12000.

         Для изготовления теплообменника выберем  трубы стальные бесшовные диаметром 25х2 мм.

         Необходимое число труб в аппарате n, обеспечивающее такую скорость, определим из уравнения: 

                     ,                                                                          (4) 

    где  n – количество труб в аппарате, шт.;

           d – внутренний диаметр труб, м;

           G – массовый расход воды, кг/с;

          - динамическая вязкость, Па·с;

           Re – число Рейнольдса.

      

     Из  формулы (4):

 шт. 
 

         Такому  числу труб  n = 39 шт. и площади поверхности аппарата F = 18,3 м2 по [1, табл. 1.8] ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает кожухотрубчатый двухходовой теплообменник диаметром 325 мм, с числом труб 28 в одном ходе, длиной теплообменных труб 4000 мм и площадью поверхности F = 17,5 м2.

      Проверим скорость движения воды в трубах аппарата:

 м/с. 

         Значение  скорости находится в рекомендуемых  пределах, поэтому выбор конструкции  аппарата закончен. 
     

     1.6 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 без учета температуры стенки рассчитывается по формуле [1, с. 24]:

                            

          ,                                                    (5)

   где G – массовый расход конденсирующегося пара, G = 6,24·10-1 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]:

          

    ,                                                       (6)

   где – критерий Нуссельта;

      – критерий Рейнольдса;

      – критерий Прандтля;

          – отношение, учитывающее влияние  направления            теплового потока (нагревание или охлаждение) на интенсивность теплоотдачи.  

     Отношение принимаем равным 1, тогда по формуле (6): 
 

           , а

                  . 

         Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара [2, табл. ХХХI]:

, 

     а со стороны воды [2, табл. ХХХI]:

,

,

.

     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

,                                                      (7) 

     где – коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды,

      ;

      – сумма термических сопротивлений.

   По  формуле (7)

          

    . 

   Расчетная площадь поверхности теплообмена  по формуле (1):

               м2. 

         Площадь поверхности теплообмена выбранного теплообменного аппарата F=17,5 м2 , что отвечает требуемой поверхности, т.е. для выполнения уточненного расчета оставляем ранее выбранный в ориентировочном расчете аппарат. 
     

          1.7  Уточненный расчет  коэффициентов теплоотдачи.  Окончательный выбор теплообменного аппарата 
     

         Уточненным  называется расчет коэффициентов теплоотдачи с учетом температуры стенки.

         Расчет  температуры стенки ведем методом  последовательных приближений. 
     

          Первое  приближение. 

         Задаемся  значением температуры стенки со стороны пара, равным = 1000С.

         Расчет  коэффициента теплоотдачи при конденсации пара с учетом температуры стенки на пучке вертикальных труб будем вести по формуле    [1, с. 24]:

                       ,                                                                     (8)                  

    где , , , - плотность, теплопроводность, удельная теплота                                                                                                                                                               конденсации, динамическая вязкость пленки при ;                                                                                                                                  - разность температур стенки и конденсирующегося пара;            

    - длина труб. 

     Температура пленки: 0С.

     Для  = 16,5 0С:  

      = 59,06·10-2  Вт/(м·К);

      = 998,7 кг/м3;

      = 2460,85 ·103 Дж/кг;         = 1108 ·10-6 Па·с.

     По  формуле (8):

       Вт/(м2·К).

     

   Удельная  тепловая нагрузка со стороны пара:

       

    Рассчитываем  температуру стенки со стороны воды [1, с.16]:

 

                       

,                                                                     (9) 

     По  формуле (9):                                               

                0С. 

     При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX] 

          (Рrст2 )І= 2,48.

  

     С учетом температуры стенки

 

           ;

           .

     Удельная  тепловая нагрузка со стороны воды:

        

        

     Сравнивая (q1)I с (q2)I, приходим к выводу, что 91571,5>>52088, поэтому расчет температуры стенки продолжаем, задаваясь другим значением температуры стенки со стороны пара. 
 

          Второе  приближение 

     Задаемся  температурой стенки со стороны пара (tст1)II = 105 0С.

     Температура пленки: 0С, тогда = 133-105 = 28 0С

     Для  = 14 0С:  

      = 58,46·10-2  Вт/(м·К);

      = 999,2 кг/м3;

      = 2467,6 ·103 Дж/кг;

      = 1186 ·10-6 Па·с. 
 
 

     По  формуле (7):

       Вт/(м2·К).

     

   Удельная  тепловая нагрузка со стороны пара:

      

     Рассчитываем  температуру стенки со стороны  воды по формуле (9):                                               

 

                                     0С. 
 

     При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]

          (Рrст2 )ƖƖ= 2,158.

  

     С учетом температуры стенки:

   

;

                            . 

     Удельная  тепловая нагрузка со стороны воды:

           

     И во втором приближении разница между (q1)ІІ и (q2)II более 5% 

            

     Расчет  продолжаем, определяя tст1 графически по пересечению линий q1=f(tст1) и q2=f(tст2) на рисунке 1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис. 1. Графическое определение tст1 

         По  найденному графически температуре (tст1)ІІІ=104,15С выполняем третий, проверочный расчет. 

    Температура пленки: 0С, тогда = 133-104,5 = 28,85 0С 

     Для  = 14,425 0С:  

      = 58,56·10-2  Вт/(м·К);

      = 999,15 кг/м3;

      = 2466·103 Дж/кг;

      = 1173 ·10-6 Па·с. 
 

     По  формуле (7):

       Вт/(м2·К).

       
 

     Удельная  тепловая нагрузка со стороны пара:

        Рассчитываем  температуру стенки со стороны  воды по формуле (9):                                               

 

                                     0С. 

     При этой температуре для воды [2, табл. ХXXIX]

          (Рrст2 )ƖƖƖ= 2,1.

  

     С учетом температуры стенки:

   

;

                                

                                   . 

     Удельная  тепловая нагрузка со стороны воды:

          
 

     Сравнивая (q1)III с (q2)ІІІ, 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)

          

Рис. 2 Схема процесса теплопередачи 

   По  формуле (7) коэффициент теплопередачи:

          

    .

   Площадь поверхности аппарата определяем по формуле (1): 

          

     м2, 

          По [1, табл. 1.8] ГОСТ 15122-79 окончательно выбираем двухходовой аппарат диаметром d=325 мм, с числом труб n = 56 шт, с длиной теплообменных труб L = 4000 мм и F = 17,5 м2. 
     
     

      1.8 Обозначение теплообменного  аппарата 

      
  1. Диаметр кожуха D = 325 мм по [1, с. 29] ГОСТ 9617-76.
  2. Тип аппарата ТНВ – теплообменник с неподвижными трубными решётками вертикальный.
  3. Условное давление в трубах и кожухе – 0,3 МПа.
  4. Исполнение по материалу – М1.
  5. Исполнение по температурному пределу – 0 – обыкновенное.
  6. Диаметр трубы d= 25 мм.
  7. Состояние поставки наружной трубы – Г – гладкая.
  8. Длина труб L= 4,0 м.
  9. Схема размещения труб – Ш – по вершинам равносторонних треугольников.
  10. Число ходов – 2.

          Группа  исполнения – А.  

Теплообменник

гр. А ГОСТ 15122-79.

 

    Рис. 3. Вертикальный двухходовой кожухотрубчатый теплообменник 

    1-кожух; 2-трубная  решетка; 3-трубка, 4-крышка, 5-распределительная

    камера 
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     
     

          2. Конструктивный расчет 

          Цель  конструктивного расчета теплообменных  аппаратов с трубчатой поверхностью теплообмена – расчет диаметров штуцеров и выбор конструкционных материалов для изготовления аппаратов, трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных трубок и трубных решеток к кожуху; конструктивной схемы поперечных перегородок и расстояния между ними; распределительных камер, крышек и днищ аппарата; фланцев, прокладок и крепежных элементов; конструкций компенсирующего устройства, воздушников, отбойных щитков, опор и т.п [1, стр.42]. 

          2.1 Выбор конструкционных материалов для изготовления аппарата 

          Материал  выбирают по рабочим условиям в аппарате: температуре, давлениям, химическим свойствам теплоносителей и др. При выборе материала пользуемся рекомендациями [1, табл. 2.2] и ГОСТ 15199-79, 15120-79, 15121-79, в которых указаны материалы основных деталей в зависимости от группы материального исполнения.

          Группа  материального исполнения – М1. Материал: кожуха – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-79; распределительной камеры и крышки – В Ст3сп5 ГОСТ 14637-89; трубы – сталь 10 ГОСТ 8733-87 [1, табл. 2.2]. 

          2.2 Выбор трубных решеток, способ размещения и крепления в них теплообменных труб и трубных решеток к кожуху 

          Трубные решетки изготавливаются обычно цельными, вырезкой из листа. Для надежного крепления трубок в трубной решетки её толщина Sр(min) (в мм) должна быть не менее [1, с. 45]  

           ,                                                              (11)  

          где с – прибавка для стальных трубных  решеток, мм, с = 5 мм;

          dн – наружный диаметр теплообменных трубок, мм, dн = 25 мм.

          По  формуле (11):

          

     мм. 
     
     

          Толщину трубной решетки выбираем в зависимости  от диаметра кожуха аппарата и уловного давления в аппарате [1, табл. 2.3]:

          Sр = 27 мм.

          Размещение отверстий в трубных решетках, их шаг регламентируется для всех теплообменников ГОСТ 9929-82.

          По [1, с. 46] определяем шаг при размещении труб по вершинам равносторонних треугольников: при dн = 25 мм, t = 32 мм; отверстия под трубы в трубных решетках и перегородках размещают в соответствии с ГОСТ 15118-79 [1, табл. 2.6].

          Размещение  отверстий в трубных решетках выбранного аппарата показано на рис. 3.

          

          Рис. 4 Размещение отверстий в трубных решетках 

          Основные  размеры для размещения отверстий  под трубы 25 х 2 мм в трубных решетках выбираем по [1, табл. 2.7], диаметр предельной окружности, за которой не располагают отверстия под трубы:

            D0 = 287 мм,

           2R = 281 мм,

          Число отверстий под трубы в трубных  решетках и перегородках по рядам: 

     0 ряд – 6

     1 ряд – 9

     2 ряд – 8

     3 ряд – 7

     4 ряд – 4

    Общее число труб в решетке – 56 шт. 
     
     

          Отверстия в трубных решетках выполняем  гладкими. По                          ГОСТ 15118-79 под трубы с наружным диаметром 25 мм установлен диаметр 25,5 мм.

          Крепление труб в трубной решетке должно быть прочным, герметичным и обеспечивать их легкую замену. Применяем для крепления труб способ развальцовки с последующей отбортовкой (рис. 4).

          

     Рис.5 Крепление труб в трубной решетке развальцовкой с