Тепловой конструктивный расчет рекуперативного кожухотрубчатого теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тепловой конструктивный расчет рекуперативного кожухотрубчатого теплообменника



Введение

Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей. Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники - для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро и невзрывоопасным хладагентом) жидких и газообразных сред. Кожухотрубчатые теплообменники могут быть следующих типов: ТН - теплообменники с неподвижными трубными решетками; ТК - теплообменники с температурными компенсаторами а кожухе и жестко закрепленными трубными решетками; ТП - теплообменники с плавающей головкой, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой; ТУ - теплообменники с U-образными трубками, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой; ТС - теплообменники с сальником на плавающей головке, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой.

Наибольшая допускаемая разность температур кожуха и труб для аппаратов типа ТН может составлять 20-60 єС, в зависимости от материала кожуха и труб, давления в кожухе и диаметра аппарата.

Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников - из латуни. Распределительные камеры и крышки выполняют из углеродистой стали.

Данный расчет проводится для определения площади поверхности теплообмена стандартного водо-водяного рекуперативного теплообменника, в котором греющая вода поступает в трубы, нагреваемая вода - в межтрубное пространство.

Задание. Выполнить тепловой конструктивный расчет водо - водяного рекуперативного подогревателя производительностью Q. Температура греющего теплоносителя на входе в аппарат . Температура нагреваемого теплоносителя на входе в теплообменник . Изменение температуры нагреваемого теплоносителя в аппарате . Массовый расход греющего теплоносителя - , нагреваемого теплоносителя - . Поверхность нагрева выполнена из труб диаметром . Трубы в трубной решетке расположены по вершинам равносторонних треугольников. L - длина труб, предварительно принимается равной 3,0 м. Схема движения теплоносителей - противоток. Качество воды - хорошего качества. Материал труб теплообменного аппарата - латунь. Потерями тепла в окружающую среду пренебречь.



1. Расчёт количества передаваемого тепла

Уравнение теплового баланса для теплообменного аппарата имеет вид:

где Q₁ - количество теплоты в единицу времени, отданное греющем теплоносителем, Вт;

Q₁ - количество теплоты в единицу времени, воспринятое нагреваемым теплоносителем, Вт;

?Q₁ - потери теплоты в окружающую среду, Вт;

Так как ?Q₁=0 по условию, то количества теплоты передаваемого в единицу времени, через поверхность нагрева аппарата, Вт:

где и - средние удельные массовые теплоёмкости греющего и нагревающегося, в интервале температур от и от соответственно, кДж/(кг К).

Температура нагреваемого теплоносителя на выходе из теплообменника:

Средняя температура нагреваемого теплоносителя:



По температуре определяю методом линейной интерполяции (табл. П. 1.1 [1]), кДж/(кг К).

Количество теплоты в единицу времени, воспринятое нагреваемым теплоносителем:

По температуре определяю методом линейной интерполяции (табл. П. 1.1 [1]), кДж/(кг К). Для условия определяется температура греющего теплоносителя на выходе из теплообменника:

Средняя температура греющего теплоносителя:

По температуре определяю методом линейной интерполяции (табл. П. 1.1 [1]), кДж/(кг К). Уточняем количество теплоты отданное греющем теплоносителем в единицу времени:

Рассчитываем величину относительной погрешности ?, которая недолжна превышать 3%:



2. Определение интенсивности процессов теплообмена

Расчёт интенсивности теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя

По температуре , методом линейной интерполяции определяю физические свойства греющего теплоносителя по (табл. П. 1.1 [1]),

Определяем температур стенки в первом приближении:

По (табл. П. 1.1 [1]) определяю критерий Прандтля для жидкости на стенке

Определяю критерий Рейнольдса греющего теплоносителя, предварительно приняв скорость греющего теплоносителя

Так как , значить режим движения турбулентный и число Нусельда определится:

Коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя к стенке трубы:



Расчёт интенсивности теплоотдачи со стороны нагревающегося теплоносителя

По температуре методом линейной интерполяции определяю физические свойства греющего теплоносителя по (табл. П. 1.1 [1]),

Число Рейнольдса для потока нагревающегося теплоносителя, предварительно приняв скорость нагревающегося теплоносителя

:

Так как , то режим движения турбулентный, число Нуссельта определится:

Коэффициент теплоотдачи от стенок трубного пучка к нагреваемому теплоносителю:

3. Определение коэффициента теплопередачи

Если (/)>2, то коэффициент теплопередачи с достаточной точностью определится:

где , - термические сопротивления слоёв загрязнений с обеих сторон стенки, , , (табл. П. 1.2 [1]);

л_ст - коэффициент теплопроводности материала труб, л_ст=Вт/(м К), (табл. П. 1.3 [1]);

- толщина стенки трубы:

Значения теплопередачи от воды к воде возможны в приделах k=800..1700 Вт/(м² К), рассчитанное значение k=Вт/(м² К), входит в требуемый диапазон.

4. Определение расчётной площади поверхности теплообмена

В аппаратах с прямо- или противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата:



где - большая разность температур, єС;

- меньшая разность температур, єС.

Поправка на смешенное движение в теплообменном аппарате , определяется с помощью коэффициентов P и R:

Определяю из (рис. П. 1.3 [1]), , тогда средняя температура определится:

Из основанного уравнения теплоотдачи определяется необходимая площадь теплообмена:



По полученной площади теплообмена и заданному диаметру труб выбираем стандартный теплообменный аппарат (табл. П. 1.5 [1]), характеристики которого свожу в таблицу 1

Параметры кожухотрубчатых теплообменников сварной конструкции с неподвижными трубными решетками и кожухотрубчатых теплообменников с температурными компенсаторами на кожухе (ГОСТ 15118-79, ГОСТ 15120-79, ГОСТ 15122-79)

Диаметр кожуха, мм	600
Диаметр труб, мм	20х2
Число ходов	6
Общее число труб, шт.	316
Поверхность теплообмена, м2	60
Длина труб, м	3
Площадь сечения потока в вырезе перегородка, 102 м2	3.7
Площадь сечения потока между перегородками, 102 м2	4.8
Площадь сечения одного хода по трубам, 102 м2	0,9

Пересчитываем скорости и числа Рейнольдса для греющего и нагреваемого теплоносителя:



5. Конструктивный расчёт теплообменного аппарата

Определяю число труб в теплообменнике:

где - площадь поверхности теплообмена стандартного теплообменника, м²;

- длина труб одного хода стандартного теплообменника, м;

Принимаем .

Количество трубок расположенных по сторонам большего шестиугольника:

Принимаем .

Количество труб расположенных по диагонали шестиугольника:

Число рядов труб, омываемых теплоносителем в межтрубном пространстве, приближенно можно принять равным 0,5b, т.е.:



Принимаем .

Шаг между трубами:

Внутренний диаметр кожуха одноходового теплообменника:

где - коэффициент заполнения трубной решетки принимается равным 0,6-0,8.

6. Определение температуры поверхности стенок трубы

теплообменник кожухотрубчатый рекуперативный

Термическое сопротивление теплоотдачи от греющего теплоносителя к поверхности загрязнений:

Термическое сопротивление слоя отложений со стороны греющего теплоносителя:



где, - тепловая проводимость слоя отложений со стороны греющего теплоносителя.

Термическое сопротивление стенки трубы:

где, - толщина стенки трубки; - коэффициент теплопроводности стенки.

Термическое сопротивление слоя отложений со стороны нагреваемого теплоносителя:

где, - тепловая проводимость слоя отложений со стороны нагреваемого теплоносителя.

Термическое сопротивление теплоотдачи от стенки загрязнений к нагреваемому теплоносителю:

Аналитическая температура стенок трубы определяется по формулам:



7. Гидравлический расчёт теплообменника

Полное гидравлическое сопротивление при движении жидкости в трубах теплообменного аппарата определяется выражением, Па:

где - гидравлическое сопротивление трения, Па;

- потери давления обусловленные местными сопротивлениями, Па;

где - коэффициент трения;

- число ходов;

Коэффициент трения определяется по формуле:

где - относительная шероховатость труб, ;

- высота выступов шероховатости, принимается 2 мм.

Потери давления обусловленные местными сопротивлениями:

где о_м1 - сумма коэффициентов местных сопротивлений

где и - коэффициенты сопротивлений входной и выходной камеры, (табл. П. 1.7 [1]);

- коэффициенты сопротивлений входа и выхода из трубы, (табл. П. 1.7 [1]);

- коэффициенты сопротивления поворотов между трубами, (табл. П. 1.7 [1]).

Величина потерь давления нагреваемого теплоносителя в межтрубном пространстве:



где - сумма коэффициентов местных сопротивлений межтрубного пространства.

где - коэффициенты сопротивлений входа и выхода жидкости, (табл. П. 1.7 [1]);

- коэффициент, определяющий поворот через сегментную перегородку, (табл. П. 1.7 [1]);

x - число сегментных перегородок x=4 (табл. П. 1.9 [1]);

- коэффициент сопротивления трубного пучка:

8. Определение толщины тепловой изоляции

Толщину тепловой изоляции найдём из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции и от поверхности изоляции в окружающую среду:



где t``_cт - температура изоляции со стороны окружающей среды, єС;

Ь_в - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Ь_в=5 Вт/м²;

t`<sub>ст</sub> - температура изоляции со стороны аппарата, в веду незначительного термического сопротивления стенок аппарата принимаем t`_ст равной средней температуре нагреваемого теплоносителя, t`_ст=50 єС;

t_в - температура окружающей среды t_в =20 єС;

л_и - коэффициент теплопроводности изолятора, =0.047+0.00023t_т;

- средняя температура теплоизоляционного слоя, t_т = /2=25 єС;

- средняя температура теплоносителя, омывающего стенку, ;

При расчётах принимаем температурный напор ()=12..20 єС, так как

t`_ст=50 єС, то примем ()=20 єС, тогда

Размещено на Allbest.ru

...