Тепловой расчет теоплообменного аппарата (ТА)

Министерство  образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

“Комсомольский-на-Амуре государственный технический университет”

Кафедра “Судовые энергетические установки” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ТЕПЛОВОЙ  РАСЧЁТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА (ТА)

По курсу  “Теплотехника” 
 
 
 
 
 
 
 
 

       Студент: Шешнёв А. С.

       Группа: 2БЖ-1

       Преподаватель: Шаломов В.И. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Комсомольск-на-Амуре

2004

Исходные  данные 

     Греющая среда: масло, температура масла на входе t'₁ =60°С; температура масла на выходе и t''₁ = 20°С; расход m₁ = 12360 кг/ч

     Нагреваемая среда: вода, проходящая по трубам; температура воды на входе t'₂ = 20°С; температура воды на выходе и t''₂ =?; массовый расход m₂ = 10080 кг/ч. Схема движения теплоносителей – противоточная.

     Диаметр труб: 28 мм/26 мм 

1. Тепловой  расчёт

 

     Цель работы: определение площади поверхности теплообмена 

   

1. Принимаем необходимые размеры труб диаметрами d внутреннее и d наружное – d_вн / d_н = 28 мм/26 мм.

     Выбираем  материал труб: латунь, где из таблицы №1 - теплопроводность материалов λ = 93 Вт/(м·К). 

2. Принимаем скорость течения воды в трубах ТА

Для жидкости, независимо от давления, скорость движения принимаем равной ω = 2 м/с. 

   

3. Оцениваем среднюю температуру воды и по давлению насыщения выбираем среднюю температуру конденсата.

 

     Находим среднюю температуру воды по формуле:

      ;

     

     Из  таблицы № 3 воды и водяного пара линии насыщения по давлению р_н  = 0,48 МПа выбираем температуру насыщения воды:

     р_н  = 0,48 МПа = 4,8·10⁵ Па;

     t_н = 150°С, она и будет средней температурой конденсата.

     Из  таблицы № 3 по средней t воды t₂(t₂) = 50°С выбираем:

     λ _ж2 = 64,8 · 10^-2 Вт/(м·К);

     υ_ж2 = 0,556 · 10^-6 м²/с;

     Рr_ж2 = 3,54;

     ρ_ж2 = 988,1 кг/м³;

     Ср₂ = 4,174 кДж/(кг/К). 

4. Находим тепловой поток и расход пара.

 

1. Тепловой  поток Q, Вт.

  ;

 
 
 

   2) Расход пара G₁, кг/с.

      , где i'' и i' – энтальпии пара и воды на линии насыщения соответственно (выбираем из таблицы “Термодинамические свойства воды и пара на линии насыщения” по температуре насыщения конденсата t_н).

     i'' = 2746,3;

     i' = 632,2.

       

5. Выполняем температурный напор Δt.

     График  изменения температур 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Проверим  отношения , где Δt_б и Δt_м – большая и меньшая разности температур на двух теплоносителей на концах ТА.

     При 125°С/75°С = 1,6 < 2, т.е. находим как среднеарифметический температурный напор:

     Δt_м = t_к – t''₂;

     Δt_м = 150°С - 75°С = 75°С.

     Δt_б = t_к - t'₂;

     Δt_б = 150°С - 25°С = 125°С

      ;

      = 150°С - 50°С = 100°С.

     Суммарные сечения труб для прохода воды, F_тр, м².

     F_тр = v₂ / ω₂;

     F_тр = 5,5 · 10^-3 кг/с / 2 м/с = 0,00275м². 

6. Площадь внутреннего  сечения одной трубы, F'_тр, м².

      ;

     d_вн = 10мм = 0,01м

       
 
 

7. Число параллельно  включенных трубок

 

     n = F_тр/ F'_тр;

     n = 0,00275м²/0,0000785м² = 35,032

     При вычислении используем 35 параллельно включенных трубок 

8. Уточнённое  значение скорости течения воды в  трубах

 

      , м/с

      м/с 

9. Находим коэффициент  теплоотдачи от стенки трубы к  воде α₂.

 

1. Принимаем в первом приближении длину трубы  l = 4м.

 

2. Принимаем в первом приближении температуру  стенок трубы

 

     

     

     Из  таблицы № 3 по t_с2 выбираем Pr_с2 (число Прандтля)

     Pr_с2 = 1,75 

3. Рассчитываем  значение числа Re₂

 

      ;

     

     Так как Re₂ > 10⁴, то режим будет турбулентным 

4. Находим значение числа N_и2 для турбулентного режима

 

     N_и2 = 0,021 · Re^0,8₂ · Pr^0,43_ж2 · (Pr_ж / Pr_ст)^0,25· ε_l;

     N_и2 = 0,021·35971,223^0,8·3,54^0,43 ·(3,54 / 1,75)^0,25·1 = 190,347

     l / d_вн = 4м / 0,01м = 400м >50м, значит поправка на начальный участок стабилизации равен ε_l = 1. 

            5) Находим коэффициент теплоотдачи α₂ 

      , ;

      Вт /м²·К 

10.  Находим  коэффициент теплоотдачи от греющего пара к поверхности трубы α₁, Вт/(м²·К)

 

1. Выбираем  из таблицы № 4 теплофизические свойства конденсата при t_н:

 

     λ = 68,4 · 10^-2 Вт/(м·К);

     ρ = 4,76 · 10⁵ Па;

     μ = 186,4 · 10^-6 Па · с;

     r = 2114,3 кДж/кг.

     И при t_с1 =100°С из таблицы №4 → λ_с1 = 68,3 · 10^-2 Вт/(м·К) и

     μ_с1 = 282,5 · 10^-6 Па·с 

2. Вычисляем коэффициент теплоотдачи α₁

 

     α₁ = ;

 α₁=  

11. Определяем  коэффициент теплопередачи

 

      ;

       

12.  Находим площадь поверхности теплообмена F, м².

 

      ;

       

13.  Вычисляем длину трубок теплообменного аппарата

 

      ;

     

     L – общая длина трубок;

     d_вн – внутренний диаметр трубки. 

14.  Уточняем температуру поверхности стенок

 

1. Со стороны  пара

 

      ;

       

2. Со стороны  воды

 

      ;

       

15.  С уточнёнными значениями температур стенок повторяем расчёт во втором приближении, начиная с коэффициентов теплоотдачи и .

 

1. Находим коэффициент  теплоотдачи  :

 

     α₁ = ;

 α₁=  

2. Находим коэффициент  теплоотдачи  :

 

      , ;

      Вт /м²·К 

      3) Определяем коэффициент теплоотдачи  К: 

      ;

       

3. Находим площадь  поверхности теплообмена F, м².

 

      ;

       

4. Вычисляем длину трубок теплообменного аппарата (ТА)

 

      ;

     

     Окончательная величина длины трубок составляет  

16.  В зависимости от общей длины трубок и условий компоновки ТА находим число ходов по воде

 

      ;

     

     Уточняем, какое количество труб будет расположено на трубной доске (решётке)

      ;

       
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Компоновка  теплообменной поверхности  ТА 

     Размещение  труб может производиться ромбическим  способом (по шестиугольникам) или по концентрическим окружностям. Ромбическая разбивка труб при количестве шестиугольников выгоднее размещение по концентрическим окружностям.

     Число шестиугольников находим по формуле

      ;

     

       Принимаем шаг трубок:

      ;

       

     При одноходовом теплообменнике

       

       

     С учётом ментального зазора по краю аппарата на перегородки и клинкерные связи действительная площадь трубной доски равна:

      ,

     Где - коэффициент загромождения трубкой доски, который равен для одноходовых ТА

     Д_тр – диаметр трубной доски.

     Из  приведённого уравнения находим Д_тр = d_вн

      ;

     Т.е. внутренний диаметр корпуса ТА равен  Д_тр.

     

     

     Площадь сечения межтрубного пространства, F_р1, м²

      ;

     где G₁ – расход пара, кг/с;

     р₁ – плотность насыщенного пара, м/с;

      - коэффициент живого сечения по межтрубному пространству.

      ;

     

       

2. Гидромеханический расчёт водоподогревателя

 

     Цель  работы: Определение потерь давления в ТА и затраты энергии на прокачку теплоносителей.

     В паровом водопологревателе вычислим потери давления (сопротивление) при движении жидкости внутри труб.

     Общие потери давления:

     

     где - потери давления по длине труб, Па;

      - потери давления в местных  сопротивлениях.

     Потери  давления по длине  находим следующим способом:

     

     

     где - коэффициент сопротивления трения;

      - скорость движения воды в  трубах.

     Коэффициент сопротивления трения вычисляется в зависимости от величины числа Рейнольдса.

     Так как Rе>2300, значит, режим является турбулентным, то коэффициент сопротивления трения находим по формуле:

     

     

     Местные потери давления находим по выражению:

     

     

     

     Мощность  насоса на прокачку теплоносителя (воды)

     

     где G₁ – расход воды через ТА, кг/с;

      - плотность воды, м/кг;

      - можно принять равной 0,8

     

Определение размеров патрубков подогревателя 

1. Для воды (входной и выходной натрубки)

     Принимаем скорость воды в натрубках 2 м/с

     

     Откуда 

     

     

2. Патрубок  для входа пара.

     Принимаем скорость пара в патрубке . По средней температуре пара выбираем плотность пара

     Площадь сечения патрубка.

     

     Откуда 

     

     

3. Патрубок  для выхода конденсата.

     Принимаем скорость конденсата в патрубке .

     Площадь сечения патрубка.

     

     где - плотность конденсата, кг/м³ , принимают при :

     Откуда