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 dнар
=22 мм.
Шаг труб выбираем из соотношения S=(1,3
1,5) dнар
=28.6
33, принимаем S=30 мм.
k
6 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 Рн
=0.6 бар:
0
С.
.
Примем
=32.44 0
С.
Определяем расход холодного теплоносителя G2 из уравнения неразрывности.
;
м2
;
Средняя температура холодного теплоносителя:
0
С;
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:
;
0
С.
Определение коэффициента теплопередачи k.
;
Теплофизические свойства материала трубок таблица 6 [3] (Сталь 2Х13):
;
Толщина стенки δ=0,5 (dнар
-dвн
)=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 0
C.
– коэффициент теплопередачи при вынужденном движении текучей среды в прямых гладких трубах.
Определяем критерий Рейнольдса.
0
С;
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 0
С находим Prf= 6,5048
По tw2 = 53,59 0
С 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:
,
0
С,
0
С.
Пересчитаем α1
и α2
:
При
=45,11 0
С найдём значения Prw
:
Prw
=3,917,
.
.
.
Уточним коэффициент теплопередачи:
Ещё раз определим значения температур стенок:
,
0
С,
0
С.
Пересчитаем α1 и α2:
При
=46,53 0
С найдём значения Prw
:
Prw
=3,807,
.
.
.
Уточним коэффициент теплопередачи:
Ещё раз определим значения температур стенок:
,
0
С,
0
С.
Т.к. расхождение с предыдущими температурами менее 1%, то полученную в последнем приближении величину k=2934,02 Вт/м2
К 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
.
0
С.
Определяем расход холодного теплоносителя G2 из уравнения неразрывности.
;
м2
;
Средняя температура холодного теплоносителя:
0
С;
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:
;
0
С.
Определение коэффициента теплопередачи k.
;
Теплофизические свойства материала трубок таблица 6 (Сталь 2х13):
;
Толщина стенки δ=0,5 (dнар
-dвн
)=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 0
C.
– коэффициент теплопередачи при вынужденном движении текучей среды в прямых гладких трубах.
Определяем критерий Рейнольдса.
0
С;
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 = 22,670
С находим Prf= 6,5928
По tw2 = 53,310
С 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:
,
0
С,
0
С.
Пересчитаем α1
и α2
:
При
=44,79 0
С найдём значения Prw
:
Prw
=3,941,
.
.
.
Уточним коэффициент теплопередачи:
Ещё раз определим значения температур стенок:
,
0
С,
0
С.
Пересчитаем α1
и α2
:
При
=46,22 0
С найдём значения Prw
:
Prw
=3,831,
.
.
.
Уточним коэффициент теплопередачи:
Ещё раз определим значения температур стенок:
,
0
С,
0
С.
Т.к. расхождение с предыдущими температурами менее 1%, то полученную в последнем приближении величину k=2928,45 Вт/м2
К 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.
|