Конструкция и принципы работы теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Общее описание теплообменника

теплообменник гидравлический ламинарный турбулентный

Теплообменник - оборудование, изготовленное для эффективной передачи тепла от одной среды в другую. Носители могут быть разделены твердой стенкой для предотвращения смешивания, или они могут находиться в непосредственном контакте. Для нагрева газа на ГРС используются оболочки и тепловые трубки теплообменников, в которых два вещества различных исходных температур, протекают через теплообменник. Газ течет через трубы, вода течет снаружи труб (внутри корпуса). Тепло передается из одной среды в другую через стенки трубки. Этот процесс показан на Рис.1.

Рис.1

2. Расчет теплообменника

Для выполнения гидравлических расчетов теплообменника необходимо определить количество теплообменной поверхности, длины и количества труб, размещенных вдоль потока воды двухстороннего кожухотрубного газового нагревателя.

Газ с давлением P=3 МПа движется внутри стальных труб с диаметром d₂/d₁=25/20 мм. Входная температура газа t₂'=5?С, температура газа на выходе t₂"=25?С. Как и газообразный теплоноситель берется метан. Вода, поступающая в теплообменнике охлаждается от t₁'=100?С до t₁"=60?С. Трубы расположены в треугольной форме с боковыми стенками S1 = S2 = S. Внутренний диаметр корпуса теплообменника D=200 мм. Расход газа G₂=20 00 м³/ч.

Определим среднюю температуру теплоносителя:

?С;

?С.

Определим количество тепла, необходимое для нагрева газа:

,где

- удельная теплоемкость метана.

;

Расчет расхода воды:

,

где

- удельная теплоемкость воды;

Эффективность рекуперации з = 0,97

Необходимые физические свойства воды при t₁=80?С берем из Табл.1

л - коэффициент тепловой несущей теплопроводности,

л₁=0,674 Вт/м•К;

н - коэффициент кинематической вязкости,

н₁=0,365•10^-6 м²/с;

Pr - число Прандтля,

Pr₁=2,21;

с - плотность теплоносителя,

с₁=971.8 кг/м³.

Табл.1 Физические свойства воды

Температура поверхности стальных труб неизвестна. Таким образом, в первом приближении мы рассмотрим температуру стенки трубы:

?С.

Критерий Прандтля при этой температуре:

Pr₁₂=3,54

Найдем число Рейнольдса для первого теплоносителя.

Скорость потока первого теплоносителя принимается: w₁=0,5 м/с.

,

Pежим потока является турбулентным, число Нуссельта вычисляется по формуле:

Найдем коэффициент теплопередачи от первого теплоносителя к стенке трубы:

Необходимые физические свойства второго теплоносителя при t₂=15?С возьмем из Табл.2:

л₂=0,37 Вт/м•K;

н₂=14,5•10^-6 м²/с;

Pr₂=0,73;

Pr₂₂=0,73 при t₂₂ = 47, 5 ?С

Определим число Рейнольдса для второй среды. Скорость второго теплоносителя принимается w₂=20 м/с

Табл.2 Физические свойства метана

Режим потока является турбулентным, число Нуссельта рассчитывается по следующей формуле:

Определим температурный напор:

?С.

Для рекуперативного аппарата смешанного потока расчитаем значение среднего перепада давления температуры. Необходимо рассчитать вспомогательные величины Р і R:

;

.

Среднее падение температуры определяется по формуле:

где коррекция е_Дt = f ( P, R ) определяется из Рис.2.

Рис.2

е_Дt = 0.85

Вт/м²;

м².

Определим более точную температуру стенки трубы:

?С;

?С;

?С.

Геометрические параметры теплообменника.

Расчет количества труб (примем активную длину труб L = 0,5 м):

где d_c = d₂, если б₁ > б₂

, примем N = 52.

Диаметр корпуса определяется из следующего уравнения:

где S - расстояние между центрами труб

S = (1,3…1,5) d_c = 1,3•0,025 = 0,0325 м

,

где z = 2 для теплообменника с U-образными трубами.

м,

Определим длину труб:

м.

3.Гидравлический расчет теплообменника

Гидравлическое сопротивление теплообменного аппарата состоит из потери давления на преодоление сопротивления трения аппарата, потеря давления на преодоление локального сопротивления и потери давления теплостойкости. Потери давления определяют мощность, необходимую для преодоления гидравлического сопротивления.

Потери давления первого теплоносителя:

Сначала необходимо определить о - коэффициент сопротивления трения, используя формулу Никурадзе:

;

- потери давления для преодоления трения;

Па,

- Потери давления, на преодоление локального сопротивления,

где - локальные коэффициенты сопротивления, которые взяты из Табл.3 .

Па;

- потери давления, на преодоление теплового сопротивления,

Па;

Па.

Потери давления второго теплоносителя:

Коэффициент сопротивления трения для второго теплоносителя равен:

;

с - плотность носителей тепла, которое определяется по формуле:

где - плотность газа при нормальных условиях;

Т_n - нормальная температура, К;

Р_n - нормальное давление, MПа;

Z - характеристика сжимаемости, Z = 0.95;

Т_р - рабочая температура газа, К;

Р₁'- максимальное давление газа, MPа;

Р₁'= Р_р+ Р_n = 3+0.1 = 3.1 МПа

- потери давления на преодоление трения,

Па;

- потери давления, на преодоление локального сопротивления,

где - локальные коэффициенты сопротивления, которые берутся из Табл.3

Па;

- потери давления, на преодоление теплового сопротивления,

Па;

Па.

Коэффициенты местного сопротивления z, для элементов теплообменника

Мощность, требуемая для перемещения теплоносителя в теплообменнике:

где: N - мощность, - потери давления, Пa; з - эффективность устройства для перемещения теплоносителя (з=0,4…0,6); G - массовый расход теплоносителя, кг/с; с - плотность теплоносителя, кг/ м³

Расчет необходимой мощности для перемещения воды в теплообменнике:

Вт;

кВт

Табл.3

Размещено на Allbest.ru