Учебная работа. Расчет теплообменника

(Пока оценок нет)

Загрузка...

Расчет теплообменника

1. задача 1

Выполнить конструкторский расчет
вертикального подогревателя низкого давления с пучком U-образных латунных труб диаметром d=16×0,75 мм. Цель расчета: определение требуемой поверхности
теплообмена и геометрических параметров пучка (количество труб и их длина).

исходные данные:

ргр = 0,18 МПа = 1,8 бар

tгр = 117 оС

рв = 2,2 МПа = 22 бар

tввх = 83,7 оС

Gв = 162 кг/с

nходов = 2

Решение

Приняв недогрев нагреваемой воды на
выходе из подогревателя до температуры насыщения греющего пара равным 3оС,
определяем температуру на выходе из подогревателя

tввых
= 117 — 3 = 114 (оС)

,
соответствующее ,
а также все последующие, необходимые для расчета, значения теплофизических
параметров нагреваемой воды, греющего пара и его конденсата определяем по
«Таблицам воды и водяного пара».

Греющий пар:

tгр
= 117 оС

pгр
= 0,18 МПа = 1,8 бар

hп
= 2701 кДж/кг

Конденсат:

hк
= 490,7 кДж/кг

r
= hп — hк
= 2701-490,7=2210,3 кДж/кг

ρк
= 945,574 кг/м3

λк
= 0,682 Вт/м∙К

νк
= 2,523 ∙ 10-7 м2/сек

Pr
= 1,481

Нагреваемая среда:

p
= 2,2 МПа = 22 бар

tвх
= 83,7 оС

hвх
= 352,24 кДж/кг

ρвх
= 970,4 кг/м3

tвых
= 114 оС

ρвых
= 948, кг/м3

Средние значения:

tср
= =
= 98,9 оС

ρ
= 960,1 кг/м3

ν
= 2,97∙10-7 м2/сек

λ
= 0,679 Вт/м∙К

Pr
= 1,77

найдя по «Таблицам»
значения энтальпий воды на входе и выходе ,
а также энтальпий пара на входе и конденсата на выходе ,
определяем из уравнения теплового баланса расход греющего пара:

и количество теплоты,
передаваемое греющим паром в подогревателе нагреваемой воде,

Q
= 9,443∙2210,3∙0,99 = 20663,144 (кДж/сек)

где —
КПД подогревателя, принимаемый равным = 0,99÷0,995.

Требуемая величина
поверхности теплообмена из уравнения теплоотдачи равна:

где —
среднелогарифмический температурный напор;

k
— коэффициент теплопередачи, значения которого для подогревателей с U — образными латунными трубами находятся в диапазоне от 2,5 до 3
кВт/(м2∙град).

F
= (м2)

Задавшись значением k и определив расположение труб в трубной доске (S1=22
мм и S2=19 мм) с коэффициентом заполнения трубной доски трубками φ=0,48
и скоростью движения воды в трубках wв=
(0,8÷1) м/с, определяем число параллельных труб по ходу воды:

где dв — внутренний диаметр трубок, м.

z1
= (шт.)

При этом общее
количество трубных концов, развальцованных в трубной доске

z
= 1125 ∙ 2 = 2250 (шт.)

Площадь трубной доски,
занятая трубками,

Fтр
= (м2)

а средняя длина трубок

L
= (м)

где dн — наружный диаметр трубок, м.

Рис. 1

Изобразив конструктивную
схему подогревателя с разбиением его по высоте на отсеки (расстояние между
дистанционирующими перегородками) так, чтобы их количество nотс было от 4 до 6, определим среднюю активную длину труб в отсеке:

H
= (м)

, Вт/(м2∙оС),
(1)

где α1
— средний коэффициент теплоотдачи при конденсации греющего пара на наружной
поверхности трубок, Вт/(м2∙оС);

α2
— средний коэффициент теплоотдачи при течении воды в трубках, Вт/(м2∙оС);

λст
= 100 Вт/м∙оС — коэффициент теплопроводности латуни при
средней температуре стенки.

Для определения величины
α1 необходимо вначале установить режим течения пленки конденсата.
Для этого определяем

где r — скрытая теплота парообразования, Дж/кг;

ρк,
νк — плотность и кинематическая вязкость конденсата, кг/м3
и м2/с, соответственно.

Reк
=

При Re > Reкр
104

, Вт/(м2∙оС),

где λк=0,679
Вт/м∙оС — коэффициент теплопроводности конденсата

(Вт/м2∙оС)

Для расчета α2
необходимо определить значение средней температуры воды, при которой определяются
значения теплофизических свойств воды. Она равна

(оС)

Тогда число Рейнольдса
воды

где νв
— кинематическая вязкость воды, м2/с.

При Re > Reкр104,
среднее значение числа Нуссельта воды

где Prв — число Прандтля воды.

Средний коэффициент
теплоотдачи от воды к стенке:

(Вт/м2∙оС).

Подставив рассчитанные
значения и
в
формулу (1), определим расчетное .

(Вт/м2∙оС)

< 1%, расчет закончен.

2. задача 2

Определить
гидравлическое сопротивление внутритрубного тракта горизонтального пароводяного
подогревателя.

исходные данные:

dвн
= 15 мм = 0,015 м

nтр
= 216 шт.

lтр
= 4000 мм = 4 м

tв
= 70 оС

pв
= 1,5 МПа

Gв
= 30 кг/с

nход
= 2

Вариант конструкции — U-образные трубы.

Решение

Полное падение давления при
протекании воды по внутритрубному тракту складывается из потерь на трение и на
местные гидравлические сопротивления:

, [Па], (1)

где —
гидравлические потери на трение, Па; — местное
гидравлическое сопротивление, Па; λ — коэффициент
гидравлического трения (безразмерен); L
— суммарная длина прямолинейных участков труб по ходу течения воды, м; dвн = 0,015 — внутренний диаметр труб, м;ρ
= 978,38 — плотность воды, кг/м3; w
= 0,45 — средняя скорость течения воды в трубах, м/с; =
12,5 — коэффициент местного гидравлического сопротивления (безразмерен);

значения величины для
характерных для внутритрубного тракта местных сопротивлений:

1. Входная или выходная камеры (удар и поворот)

=1,5 (х2)

2. Поворот на 180о при переходе из одного пучка труб
в другой внутри поворотной камеры

=2,5 (х1)

3. Поворот на 180о в U — образной трубке

=0,5 (х2)

4. Вход в трубное пространство

=1,5 (х2)

5. Выход из трубного пространства

=1,5 (х2)

wi — скорость течения воды в местном гидравлическом сопротивлении,
м/с.

(м/с)

Определяем относительную
шероховатость труб по формуле:

где δ
— абсолютная шероховатость стенок труб (для стали δ
= 0,1 мм)

dвн
— внутренний диаметр трубок, мм.

Определяем значение
числа Рейнольдса:

где ν
— кинематическая вязкость воды, м2/с.

и значение коэффициента
гидравлического трения

Для определения
скоростей во входном и выходном патрубках теплообменника необходимо задаться их
диаметрами. Для этого следует определить диаметр трубной доски:

где —
наружный диаметр трубок, м;

φ=0,48 — коэффициент
заполнения трубной доски трубками.

(м)

диаметры входного и
выходного патрубков принимаются равными:

Dпатр
= 0,24 ∙ 0,360 = 0,0936 (м)

Определив величину
скорости в патрубках

(м/с) < 5,0 м/с

Величина L, входящая в формулу (1), является суммарной длиной прямолинейных
участков труб по ходу движения воды, т.е.

L
= 2 ∙ 4 = 8 (м)

Определив все
вышеуказанные величины, по формуле (1) определяется полное гидравлическое
сопротивление внутритрубного тракта пароводяного теплообменника.