Расчёт рекуперативного теплообменного аппарата

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=(1,31,5) dнар=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 Рн=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 (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 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 Prw:

Prw=3,917,

.

.



.



Уточним коэффициент теплопередачи:







Ещё раз определим значения температур стенок:

,

 0С,

 0С.

Пересчитаем α1 и α2:




При =46,53 0С найдём значения Prw:

Prw=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 (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 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 Prw:

Prw=3,941,

.


.



.



Уточним коэффициент теплопередачи:







Ещё раз определим значения температур стенок:

,

 0С,

 0С.

Пересчитаем α1 и α2:



При =46,22 0С найдём значения Prw:

Prw=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



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

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

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