Из основного уравнения теплопередачи
![]()
|
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: ![]() где F – площадь теплопередающей поверхности, м2; Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт; K – коэффициент теплопередачи, ![]() ![]() 1.1 Определение тепловой нагрузки аппарата В рассматриваемой задаче нагревание воды осуществляется в горизонтальном теплообменнике теплотой конденсирующего пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле [6]: ![]() где Gхол – массовый расход воды, кг/с, ![]() Схол – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кгК); Тк, Тн – конечная и начальная температуры воды, К; ![]() ![]() Средняя температура воды: ![]() Этому значению температуры соответствует![]() ![]() Тогда ![]() с учетом потери ![]() 1.2 Определение расхода пара и температуры его насыщения Расход пара определим из уравнения: ![]() где D – расход пара, кг/с; r – скрытая теплота конденсации пара, Дж/кг. По [2, прил. LVII] при Рп = 0,3 МПа, r = 2171103 Дж/кг, Тк = 133 0С. Из формулы (3) следует, что ![]() 1.3 Расчет температурного режима теплообменника Цель расчета – определение средней разности температур ![]() Тн = 191,7 0С Пар Тк = 191,7 0С tк = 96 0С Вода tн = 40 0С ![]() ![]() Так как ![]() ![]() Температура пара в процессе конденсации не изменяется, поэтому tср1 = Тп = 191,7 0С, а средняя температура воды : tср 2 = tср 1- ![]() 1.4 Выбор теплофизических характеристик теплоносителей Теплофизические свойства теплоносителей определяем при их средних температурах и заносим в таблицу 1. Таблица 1 Теплофизические свойства теплоносителей ![]() 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/(м2К), поскольку теплота передаётся от конденсирующего пара к воде, тогда ориентировочное значение площади аппарата по формуле (1) ![]() 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: ![]() где n – количество труб в аппарате, шт.; d – внутренний диаметр труб, м; G – массовый расход воды, кг/с; ![]() Re – число Рейнольдса. Из формулы (4): ![]() 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: ![]() 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 ![]() Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке вертикальных труб без учета температуры стенки рассчитывается по формуле [1, с. 24]: ![]() где G – массовый расход конденсирующегося пара, G = 6,24·10-1 кг/с; n – число труб в аппарате с наружным диаметром d, шт; ![]() По формуле (5) ![]() ![]() Режим движения воды в трубках аппарата: ![]() Для расчета процесса теплоотдачи в закрытых каналах при турбулентном режиме движения и умеренных числах Прандтля (Рr < 80) рекомендуется уравнение [1, с. 23]: ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() Отношение ![]() ![]() ![]() Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара [2, табл. ХХХI]: ![]() а со стороны воды [2, табл. ХХХI]: ![]() ![]() ![]() Тогда ![]() Или ![]() где ![]() Так как теплообменная трубка тонкостенная (dвн > ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() По формуле (7) ![]() Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле (1): ![]() 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 ![]() Расчет коэффициента теплоотдачи при конденсации пара с учетом температуры стенки на пучке вертикальных труб будем вести по формуле [1, с. 24]: ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Температура пленки: ![]() Для ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() По формуле (8): ![]() Удельная тепловая нагрузка со стороны пара: ![]() |