Тепловой расчет теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Тепловой расчет

Целью теплового расчета является определение необходимой площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса, и выбор стандартизированного теплообменника.

Из основного уравнения теплопередачи

Где F - площадь теплопередающей поверхности, м² ;

Q - тепловая нагрузка аппарата, Вт;

K - коэффициент теплопередачи, Вт/( м² К);

- средний температурный напор, К.

1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата

В рассматриваемой задаче нагревание воды осуществляется в вертикальном кожухотрубчатом теплообменнике теплотой конденсирующего водяного пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле [5]

Где = V - массовый расход воды, кг/с;

- средняя удельная теплоемкость воды Дж/(кг К);

-конечная и начальная температуры воды, К;

=1.05 - коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду. Средняя температура воды



Этому значению температуры соответствует

= 990.22

990.22=18,8 кг/с

Тогда Q = 1,8841801,05=4 128 771,8 Вт

1.2 Определение расхода пара и температура его насыщения

Расход пара определим из уравнения

Q=Dr,

Где D - расход пара, кг/с

r - скрытая теплота конденсации пара, Дж/кг.

При =0,25 МПа r=2182,610³ Дж/кг, Т_н=127,5 ?

Из формулы следует что

1.3 Расчет температурного режима теплообменника

Цель расчета - определение средней разности температур ?t_ср и средних температур теплоносителей t_ср1 и t_ср2. Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей.



Т_н=127,5? Пар Т _к=127,5?, т.к.

t_k=70? Вода t_н=20?, то

Температура пара в процессе конденсации не изменяется , поэтому t_ст1=Т_н = 127,5?, а средняя температура воды t_ст2 = t_ст1 -?t_ст=127,5-75,5=52?

Температура одного из теплоносителей(пара) в аппарате не изменяется, поэтому выбор температурного режима окончателен.

1.4 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	Обозначения	Числовые значения
1	2	3	4
Межтрубное пространство, конденсация пара	Средняя температура конденсата, Плотность конденсата, кг/м3 Удельная теплоемкость, Дж/(м·К) Теплопроводность конденсата, Вт/(м·К) Динамическая вязкость, Па·с Кинематическая вязкость, м2/с		127,5 937 4260 0,686 216,75· 0,2305·
Трубное пространство, нагревание воды	Средняя температура воды, °C Плотность, кг/м3 Удельная теплоемкость, Дж/(м·К) Теплопроводность, Вт/(м·К) Динамическая вязкость, Па·с Кинематическая вязкость, м2/с Критерия Прандтля		45 990,22 4180 0,641 603· 0,608· 3,925



1.5 Ориентировочный расчет площади поверхности аппарата. Выбор конструкции аппарата и материалов для его изготовления

Ориентировочным расчетом называется расчет площади теплопередающей поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К. Принимаем К = 1100В/(м²·К), тогда ориентировочное значение площади аппарата по формуле

F=

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 w₂=1 м/с

Для изготовления теплообменника выберем трубы стальные бесшовные диаметром 25Ч2 мм.

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

Где V - созданный объемный расход воды

= 0,021 м - внутренний диаметр теплообменных труб ;

n- число труб в аппарате

w₂ = 1, 0 м/ с-скорость движения воды в трубах аппарата.

Из формулы (3)



Такому числу труб в одном ходе n?55 шт. и площади поверхности аппарата 49,71м² по ГОСТ 151189-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает четырехходовой теплообменник диаметром 600 мм, с числом труб 206, длиной теплообменных труб 3000 мм и площадью поверхности F=49м²

Проверим скорость движения воды в трубах аппарата

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

Так как теплоносители (пар и вода) не являются агрессивными, то для изготовления основных узлов и деталей (ГОСТ 15120-79) выбираем материалы по группе материального исполнения М1: кожух - В Ст3ст5 ГОСТ 14637-79; крышки - В Ст3ст5 ГОСТ 14637-79; трубы - сталь 10 ГОСТ 8733-87

Коэффициент теплопроводности стали:

1.6 Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи

Приближенным расчетом называется расчет коэффициентов Ь и K по формулам, не учитывающим влияние температуры стенки теплопередающей поверхности на интенсивность теплоотдачи. Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке вертикальных труб рассчитывается по формуле

где d - наружный диаметр;

n - общее число труб в теплообменнике;

л, с, м, - теплопроводность, плотность и вязкость конденсата при температуре конденсации;

G- массовый расход конденсирующегося пара.

Режим движения воды в трубках аппарата

- турбулентный режим.

теплообменник гидродинамический температурный площадь

Для расчета процесса теплоотдачи в закрытых каналах при турбулентном режиме движения и умеренных числах Прандтля (Pr<80) рекомендуется уравнение

,

- 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

а

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара

=5800

А со стороны воды

=5800

Тогда

или

где?r_ст - сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений.

Так теплообменная трубка тонкостенная, то для расчета коэффициента теплопередачи применяют формулу для плоской стенки

где б₁ и б₂ - коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды, Вт/(

?r_ст - сумма термических сопротивлений

Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле



м²

Так как площадь выбранного аппарата F=49м² незначительно превышает необходимую, то оставляем такую же длину труб.

1.7 Уточненный расчет коэффициентов теплоотдачи. Окончательный выбор теплообменника аппарата

Уточненным называется расчет коэффициентов теплоотдачи с учетом температуры стенки.

Расчет температуры стенки ведем методом последовательных приближений. Первое приближение.

Удельная тепловая нагрузка

Температура стенки со стороны пара

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



где Дt - разность температур насыщения и стенки.

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды

При этой температуре для воды Pr_ст=2,455

С учетом температуры стенки

Удельная тепловая нагрузка со стороны воды

Вт/м²

Средняя удельная тепловая нагрузка для условий первого приближения

Вт/м²

Отклонение



Сравниваяи приходим к выводу, что разница между ними больше 5% поэтому расчет температуры стенки продолжаем, задаваясь другим значением температуры стенки со стороны пара. Второе приближение. Удельная тепловая нагрузка

Температура стенки со стороны пара

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

Удельная тепловая нагрузка со стороны пара

Рассчитываем температуру стенки со стороны воды

При этой температуре для воды Pr_ст=2,482

С учетом температуры стенки



Удельная тепловая нагрузка со стороны воды

Вт/м²

Средняя удельная тепловая нагрузка для условий первого приближения

Вт/м²

Отклонение

Сравниваяи при ходим к выводу, что отклонение не превышает 5% поэтому расчет можно считать законченным.

По формуле найдем коэффициент теплопередачи

По ГОСТ 15122-79 окончательно выбираем одноходовой аппарат диаметром 600 мм, с числом труб n=206 шт., и с длинной теплообменных труб L=3000мм и F= 49.0 .



1.8 Обозначение теплообменного аппарата

1. Диаметр кожуха D=600 мм по ГОСТ 9617-79.

2. Тип аппарата ТНВ - теплообменник с неподвижными трубными решетками вертикальный.

3. Условное давление в трубах и кожухе -1,6Мпа.

4. Исполнение по материалу - М1.

5. Исполнение по температурному пределу - 0 - обыкновенное.

6. Диаметр трубы -25 мм.

7. Состояние подставки наружной трубы - Т - гладкая.

8. Длина труб - 3,0 м.

9. Схема размещения труб - Ш - по вершинам равносторонних треугольников.

10. Число ходов - 4.

Группа исполнения - А.

Теплообменник

Размещено на Allbest.ru