Расчёт рекуперативного теплообменного аппарата

Иваново 2010

1. Расчётная часть

Определим внутренний диаметр корпуса теплообменника.

Исходя из того, что нам задано общее число трубок в теплообменном аппарате n=130, выбираем из таблицы 1 [1] при расположении трубок по концентрическим окружностям число трубок – 130. Тогда число труб по диагонали = 13.

Наружный диаметр трубок задан и равняется d_нар=22 мм.

Шаг труб выбираем из соотношения S=(1,31,5) d_нар=28.633, принимаем S=30 мм.

k6 мм – кольцевой зазор между трубами и корпусом, принимаем k=10 мм.

мм.

Задаём температуру холодного теплоносителя на выходе из теплообменника.

Температура насыщенного сухого водяного пара при Р_н=0.6 бар:

⁰С.

.

Примем =32.44 ⁰С.

Определяем расход холодного теплоносителя G2 из уравнения неразрывности.

;

м²;

Средняя температура холодного теплоносителя:

⁰С;

Из таблицы 8 [2] выписываем параметры холодного теплоносителя:

кг/м³;

Дж/кгК;

кг/с.

Из уравнения теплового баланса находим тепловую мощность аппарата Q.

Вт.

Строим график изменения температур теплоносителя вдоль поверхности нагрева t=f(F) и рассчитываем среднюю температуру теплоносителей .

График изменения температуры теплоносителя вдоль поверхности нагрева

;

;

, значит определяется как среднее арифметическое:

;

⁰С.

Определение коэффициента теплопередачи k.

;

Теплофизические свойства материала трубок таблица 6 [3] (Сталь 2Х13): ;

Толщина стенки δ=0,5 (d_нар-d_вн)=0,5 (22–16)=3 мм

Определение и .

Задаёмся

,

– коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на одиночной горизонтальной трубе.

,

где из таблиц 8 и 9 [2]

при Топр = Тнас = 85,95 ⁰C.

– коэффициент теплопередачи при вынужденном движении текучей среды в прямых гладких трубах.

Определяем критерий Рейнольдса.

⁰С;

м²/с;

Вт/мК.

>10⁴ режим турбулентный.

Значит, средняя теплоотдача рассчитывается по формуле Михеева:

,

-поправка, учитывающая изменение физических свойств среды от температуры.

Из таблицы 8 [2]:

По t0 = 23,22 ⁰С находим Prf = 6,5048

По tw2 = 53,59 ⁰С находим Prw =3,321

– поправка на изменение коэффициента теплоотдачи на начальном участке гидродинамической стабилизации.

, значит =1.

Тогда, .

.

Определяем k:

Т.к. при расчетах температуры стенок были заданы приближенно, то их необходимо уточнить. Для этого определим удельный тепловой поток исходя из температур теплоносителей:

.

Температуры стенок могут быть найдены из выражений:

,

⁰С,

⁰С.

Пересчитаем α₁ и α₂:

При =45,11 ⁰С найдём значения Pr_w:

Pr_w=3,917,

.

.

.

Уточним коэффициент теплопередачи:

Ещё раз определим значения температур стенок:

,

⁰С,

⁰С.

Пересчитаем α1 и α2:

При =46,53 ⁰С найдём значения Pr_w:

Pr_w=3,807,

.

.

.

Уточним коэффициент теплопередачи:

Ещё раз определим значения температур стенок:

,

⁰С,

⁰С.

Т.к. расхождение с предыдущими температурами менее 1%, то полученную в последнем приближении величину k=2934,02 Вт/м²К будем считать окончательной.

2. Площадь поверхности теплообмена Fрасч из уравнения теплопередачи

,

теплообменник корпус уравнение нагрев

м²,

Сравниваем и .

– действительная площадь поверхности теплообмена.

Т.к. коэффициенты теплопередачи имеют разные порядки, то в качестве берём диаметр, равный м, т. к. <.

м².

Т.к. >5% то перезадаём значение t₂, и производим расчёт заново с пункта 1.

Задаём температуру холодного теплоносителя на выходе из теплообменника. Используя формулу эффективности для конденсации, найдем .

⁰С.

Определяем расход холодного теплоносителя G2 из уравнения неразрывности.

;

м²;

Средняя температура холодного теплоносителя:

⁰С;

Из таблицы 8 [4] выписываем параметры холодного теплоносителя:

кг/м³;

Дж/кгК;

кг/с.

Из уравнения теплового баланса находим тепловую мощность аппарата Q.

Вт.

Строим график изменения температур теплоносителя вдоль поверхности нагрева t=f(F) и рассчитываем среднюю температуру теплоносителей .

График изменения температуры теплоносителя вдоль поверхности нагрева

;

;

, значит определяется как среднее арифметическое:

;

⁰С.

Определение коэффициента теплопередачи k.

;

Теплофизические свойства материала трубок таблица 6 (Сталь 2х13): ;

Толщина стенки δ=0,5 (d_нар-d_вн)=0,5 (22–16)=3 мм

Определение и .

Задаёмся ,

– коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на одиночной горизонтальной трубе.

,

где из таблиц 8 и 9 [2]

при Топр = Тнас = 85,95 ⁰C.

– коэффициент теплопередачи при вынужденном движении текучей среды в прямых гладких трубах.

Определяем критерий Рейнольдса.

⁰С;

м²/с;

Вт/мК.

>10⁴ режим турбулентный.

Значит, средняя теплоотдача рассчитывается по формуле Михеева:

,

-поправка, учитывающая изменение физических свойств среды от температуры.

Из таблицы 8 [2]:

По t0 = 22,67⁰С находим Prf = 6,5928

По tw2 = 53,31⁰С находим Prw =3,381

– поправка на изменение коэффициента теплоотдачи на начальном участке гидродинамической стабилизации.

, значит =1.

Тогда, .

.

Определяем k:

Т.к. при расчетах температуры стенок были заданы приближенно, то их необходимо уточнить. Для этого определим удельный тепловой поток исходя из температур теплоносителей:

.

Температуры стенок могут быть найдены из выражений:

,

⁰С,

⁰С.

Пересчитаем α₁ и α₂:

При =44,79 ⁰С найдём значения Pr_w:

Pr_w=3,941,

.

.

.

Уточним коэффициент теплопередачи:

Ещё раз определим значения температур стенок:

,

⁰С,

⁰С.

Пересчитаем α₁ и α₂:

При =46,22 ⁰С найдём значения Pr_w:

Pr_w=3,831,

.

.

.

Уточним коэффициент теплопередачи:

Ещё раз определим значения температур стенок:

,

⁰С,

⁰С.

Т.к. расхождение с предыдущими температурами менее 1%, то полученную в последнем приближении величину k=2928,45 Вт/м²К будем считать окончательной.

Находим площадь поверхности теплообмена Fрасч из уравнения теплопередачи.

,

м²,

Сравниваем и .

– действительная площадь поверхности теплообмена.

Т.к. коэффициенты теплопередачи имеют разные порядки, то в качестве берём диаметр, равный м, т.к. <.

м².

<5%

Из уравнения теплового баланса находим расход горячего теплоносителя G1.

;

кг/с.

Заключение

В результате расчета получили:

Температуры холодного теплоносителя на выходе –

Расходы горячего и холодного теплоносителей:

G1 = 1,48 кг/с

G2 = 46,86 кг/с

Внутренний диаметр корпуса D = 0,402 м.

Тепловая мощность аппарата Q = Вт

Список литературы

1. Шипилов В.М., Бухмиров В.В., Чухин И.М. Пример расчета теплообменника: Методические указания к курсовой работе. – Иваново, 1988.

2. Бухмиров В.В. Расчет коэффициента конвективной теплоотдачи: Методические указания к выполнению практических и лабораторных занятий. – Иваново, 2007.

3. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. – М.: Энергия, 1980.