Теовой расчет

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:

 

                                        ,                                                         (1)

 

где F – площадь теплопередающей поверхности, м2;

Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

K – коэффициент теплопередачи, ;

 – средний температурный  напор, К.

 

1. Определение тепловой нагрузки аппарата

 

Нагревание воды осуществляется в теплообменнике теплотой конденсирующегося водяного пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле

 

                                                ,                                       (2)

где Gхол – массовый расход воды, кг/с, ;

Схол – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кг×К);

Тк, Тн – конечная и начальная температуры воды, К;

r – скрытая теплота конденсации пара, Дж/кг.

   ;   ;

Тогда

 

                            Вт,

 

               Вт.

Суммарная тепловая нагрузка:

 

                      

 

2. Определение расхода пара и температуры его насыщения

 

Расход пара определим из уравнения:

 

                                                                                               (3)

 

где Gв – расход вода, кг/с;

 Св – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/кг К.

 

                                  кг/с.

Определим неизвесную температуру на границе зон из уравнения:

 

                                                                                  (4)

Откуда:

                          

                      

 

              Для дальнейших расчетов принимаем среднее значение температур:

 

                               

 

3. Расчет температурного режима теплообменника

 

Цель расчета – определение средней разности температур и средних температур теплоносителей tср1 и tср2. Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей.

 

Тн = 99,1 0С  Пар  Тк = 99,1 0С

tк = 53,94 0С     Вода tн = 16 0С

_____________________________

 0С         0С

 

Так как , то 0С.

Температура пара в процессе конденсации не изменяется, поэтому    tср1 = Тп = 99,1 0С, а средняя температура воды : tср 2 = tср 1- tср = 99,1-64,13=34,97 0С.

Для определения средней разности температур в зоне охлаждения пара используем схему

 

Тн = 99,1 0С  Пар  Тк = 84,1 0С

tк = 17,08 0С     Вода tн = 16 0С

_____________________________

 0С         0С

 

Так как , то 0С.

Температура пара в процессе конденсации не изменяется, поэтому     tср1 = Тп = 99,1 0С, а средняя температура воды : tср 2 = tср 1- tср = 74,7+55=64,85 0

 

4. Выбор теплофизических характеристик теплоносителей

 

         Теплофизические свойства теплоносителей определяем при их средних температурах и заносим в таблицу 1.

                                                                                   Таблица 1.1

Теплофизические свойства теплоносителей в зоне конденсации пара

Пространство и процесс	Физические величины	Обознач.	Числовые значения
1	2		4
Межтрубное пространство, конденсация пара	Средняя температура конденсата, 0С	Тср(ох)	99,1
	Плотность конденсата, кг/м3		955,3
	Удельная теплоемкость, Дж/(кг×К)	С1	4,23∙103
	Теплопроводность , Вт/(м×К)		63,55×10-2
	Динамическая вязкость, Па×с		278,73×10-6
	Кинематическая вязкость, м2/с		951,8
	Число Прандтля	Pr	34,97
Трубное пространство, нагревание воды	Средняя температура воды, 0С	tср(ох)	34,97
	Плотность, кг/м3		989,4
	Удельная теплоемкость, Дж/(кг×К)	С	4,18∙103
	Теплопроводность, Вт/(м×К)		62,01∙10-2
	Динамическая вязкость, Па×с		587,23×10-
	Кинематическая вязкость, м2/с		0,608×10-6
	Число Прандтля	r	3,9

              Теплофизические свойства теплоносителей в зоне охлаждения пара

Межтрубное пространство, конденсация пара	Средняя температура конденсата, 0С	Тср(к)	99,1
	Плотность конденсата, кг/м3		964
	Удельная теплоемкость, Дж/(кг×К)	С1	4,23∙103
	Теплопроводность , Вт/(м×К)		68,04×10-2
	Динамическая вязкость, Па×с		315,02×10-6
	Кинематическая вязкость, м2/с		0,326
	Число Прандтля	Pr1	1,95
Трубное пространство, нагревание воды	Средняя температура воды, 0С	tср(к)	64,85
	Плотность, кг/м3		999,2
	Удельная теплоемкость, Дж/(кг×К)	С	4,19∙103
	Теплопроводность, Вт/(м×К)		58,70∙10-2
	Динамическая вязкость, Па×с		1615×10-6
	Кинематическая вязкость, м2/с		1,24×10-6
	Число Прандтля	Pr	8,04

 

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 = 1000 Вт/(м2×К), поскольку теплота передаётся от конденсирующего пара к воде, тогда ориентировочное значение площади аппарата по формуле (1)

                      м2.

 

          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 м/с [1, табл. 1.4].Для изготовления теплообменника выберем трубы стальные бесшовные диаметром 25 х 2 мм.

 

          Определим скорость движения воды в трубках. Из уравнения расхода

                        

,                                                      (5)

              где  V – заданный объемный расход воды, м3/с, V = 0,0096 м3/с;

             dвн – внутренний диаметр теплообменных труб, dвн = 0,021 м;

              nт – число труб в аппарате, шт; nх–число ходов в аппарате.

              Из формулы (4):

 

-одноходовой м/с.

 -двухходовой м/с.

-четырехходовой м/с.

-шестиходовой м/с.

 

Такому числу труб в одном ходе n = 194 шт и площади поверхности аппарата F = 31,0 м2 по [1, табл. 1.8] ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает кожухотрубчатый шестиходовой теплообменник диаметром 600 мм, с числом труб 194 в одном ходе, длиной теплообменных труб 2000 мм и площадью поверхности F = 31,0 м2.

 

 

6. Приближенный расчет коэффициентов теплоотдачи и коэффициента теплопередачи

 

Приближенным расчетом называется расчет коэффициентов и К по формулам, не учитывающим влияние температуры стенки теплопередающей поверхности на интенсивность теплоотдачи [1].

Коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара на пучке вертикальных труб рассчитывается по формуле [2]

 

                                      ,                                              (6)

 

где G – массовый расход конденсирующегося пара, G = 0,694 кг/с;

n – число труб в аппарате с наружным диаметром d, шт;

 – теплопроводность, плотность  и вязкость конденсата при  температуре конденсации.

По формуле (5)

                                .

Режим движения воды в трубках аппарата:

 

             – турбулентный, так как Re>104.

 

Для расчета процесса теплоотдачи в закрытых каналах при турбулентном режиме движения и умеренных числах Прандтля (Рr  < 80) рекомендуется уравнение [1, с. 23].

 

                                    ,                                    (7)

 

 – критерий Нуссельта.

 

 – критерий Рейнольдса.

 

 – критерий Прандтля.

 

– отношение, учитывающее влияние направления теплового потока.

Отношение принимаем равным 1, тогда по формуле (7)

,

 

а

.

 

Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны пара [2]

 

,

 

а со стороны воды [2].

 

,

 

Толщина поверхности , теплопроводность материала .

 

                 Тогда 

или ,

где – сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений.

Так как теплообменная трубка тонкостенная (dвн > ), то для расчета коэффициента теплопередачи применяют формулу для плоской стенки

 

                                     ,                                                 (8)

 

где – коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды, ;

– сумма термических сопротивлений.

По формуле (7)

.

Расчетная площадь поверхности теплообмена по формуле (1):

 

 м2.

             Зона охлаждения.

         При стекании  жидкости по вертикальной поверхности  критерий Rе рассчитывается по формуле

                                                                                                                                            (9)

                                                  

 

                Режим движения– ламинарный, так  как Rе 104.

                Линейная плотность орашения                                                                       

 

        (10)

 

 

                Периметр, по которой течет пленка

 

 

                Приведенная толщина стекающей плёнки

 

  м2.

 

               Интенсивность теплоотдачи

 

               Поскольку  ,   откуда 1133.3 ;

               Режим движения в трубках зоны охлаждения пара

 

 – турбулентный, так как Re>104.

Поскольку число Рейнольдса Re>4000, то число Нуссельта находим по формуле: