Расчёт рекуперативноготеплообменного аппарата
Иваново 2010
1.Расчётная часть
Определимвнутренний диаметр корпуса теплообменника.
/>
Исходя изтого, что нам задано общее число трубок в теплообменном аппарате n=130, выбираем из таблицы1 [1] при расположении трубок по концентрическим окружностям число трубок –130. Тогда число труб по диагонали /> = 13.
Наружныйдиаметр трубок задан и равняется dнар=22 мм.
Шаг трубвыбираем из соотношения S=(1,3/>1,5) dнар=28.6/>33, принимаем S=30 мм.
k/>6 мм – кольцевойзазор между трубами и корпусом, принимаем k=10 мм.
/> мм.
Задаёмтемпературу холодного теплоносителя на выходе из теплообменника.
Температуранасыщенного сухого водяного пара при Рн=0.6 бар:
/> 0С.
/>.
Примем />=32.44 0С.
Определяемрасход холодного теплоносителя G2 из уравнения неразрывности.
/>;
/> м2;
Средняятемпература холодного теплоносителя:
/> 0С;
Из таблицы 8[2] выписываем параметры холодного теплоносителя:
/> кг/м3;
/> Дж/кгК;
/> кг/с.
Из уравнениятеплового баланса находим тепловую мощность аппарата Q.
/> Вт.
Строим графикизменения температур теплоносителя вдоль поверхности нагрева t=f(F) ирассчитываем среднюю температуру теплоносителей />.
/>
Графикизменения температуры теплоносителя вдоль поверхности нагрева
/>;
/>;
/>, значит /> определяетсякак среднее арифметическое:
/>;
/> 0С.
Определениекоэффициента теплопередачи k.
/>;
Теплофизическиесвойства материала трубок таблица 6 [3] (Сталь 2Х13): />;
Толщинастенки δ=0,5 (dнар-dвн)=0,5 (22–16)=3 мм
Определение /> и />.
Задаёмся
/>, />
/> – коэффициенттеплоотдачи при конденсации водяного пара на одиночной горизонтальной трубе.
/>,
где из таблиц8 и 9 [2]
/>
при Топр = Тнас = 85,95 0C.
/>
/> – коэффициенттеплопередачи при вынужденном движении текучей среды в прямых гладких трубах.
Определяемкритерий Рейнольдса.
/> 0С;
/> м2/с;
/> Вт/мК.
/>>104 режим турбулентный.
Значит,средняя теплоотдача рассчитывается по формуле Михеева:
/>,
/>-поправка, учитывающаяизменение физических свойств среды от температуры.
Из таблицы 8[2]:
По t0 = 23,22 0С находимPrf = 6,5048
По tw2 = 53,59 0С находимPrw =3,321
/>
/> – поправка на изменениекоэффициента теплоотдачи на начальном участке гидродинамической стабилизации.
/>, значит />=1.
Тогда, />.
/>.
Определяем k:
/>
Т.к. прирасчетах температуры стенок были заданы приближенно, то их необходимо уточнить.Для этого определим удельный тепловой поток исходя из температуртеплоносителей:
/>.
Температурыстенок могут быть найдены из выражений:
/>,
/>0С,
/>0С.
Пересчитаем α1и α2:
/>
При />=45,11 0С найдёмзначения Prw:
Prw=3,917,
/>.
/>.
/>.
Уточнимкоэффициент теплопередачи:
/>
Ещё разопределим значения температур стенок:
/>,
/> 0С,
/> 0С.
Пересчитаем α1и α2:
/>
При />=46,53 0С найдёмзначения Prw:
Prw=3,807,
/>.
/>.
/>.
Уточнимкоэффициент теплопередачи:
/>
Ещё разопределим значения температур стенок:
/>,
/> 0С,
/> 0С.
Т.к.расхождение с предыдущими температурами менее 1%, то полученную в последнем приближениивеличину k=2934,02Вт/м2К будем считать окончательной.
2. Площадьповерхности теплообмена Fрасч из уравнения теплопередачи
/>,
теплообменниккорпус уравнение нагрев
/> м2,
Сравниваем /> и />.
/> – действительная площадьповерхности теплообмена.
Т.к.коэффициенты теплопередачи имеют разные порядки, то в качестве /> берём диаметр, равный /> м, т. к. />.
/> м2.
/>
Т.к. />>5% то перезадаёмзначение t2, и производим расчёт заново с пункта 1.
Задаёмтемпературу холодного теплоносителя на выходе из теплообменника. Используяформулу эффективности для конденсации, найдем />.
/>
/> 0С.
Определяемрасход холодного теплоносителя G2 из уравнения неразрывности.
/>;
/> м2;
Средняятемпература холодного теплоносителя:
/> 0С;
Из таблицы 8[4] выписываем параметры холодного теплоносителя:
/> кг/м3;
/> Дж/кгК;
/> кг/с.
Из уравнениятеплового баланса находим тепловую мощность аппарата Q.
/> Вт.
Строим графикизменения температур теплоносителя вдоль поверхности нагрева t=f(F) ирассчитываем среднюю температуру теплоносителей />.
/>
Графикизменения температуры теплоносителя вдоль поверхности нагрева
/>;
/>;
/>, значит /> определяетсякак среднее арифметическое:
/>;
/> 0С.
Определениекоэффициента теплопередачи k.
/>;
Теплофизическиесвойства материала трубок таблица 6 (Сталь 2х13): />;
Толщинастенки δ=0,5 (dнар-dвн)=0,5 (22–16)=3 мм
Определение /> и />.
Задаёмся />,/>
/> – коэффициенттеплоотдачи при конденсации водяного пара на одиночной горизонтальной трубе.
/>,
где из таблиц8 и 9 [2] />
при Топр = Тнас = 85,95 0C.
/>
/> – коэффициенттеплопередачи при вынужденном движении текучей среды в прямых гладких трубах.
Определяем критерийРейнольдса.
/> 0С;
/> м2/с;
/> Вт/мК.
/>>104 режим турбулентный.
Значит,средняя теплоотдача рассчитывается по формуле Михеева:
/>,
/>-поправка, учитывающаяизменение физических свойств среды от температуры.
Из таблицы 8[2]:
По t0 = 22,670С находимPrf = 6,5928
По tw2 = 53,310С находимPrw =3,381
/>
/> – поправка на изменениекоэффициента теплоотдачи на начальном участке гидродинамической стабилизации.
/>, значит />=1.
Тогда, />.
/>.
Определяем k:
/>
Т.к. прирасчетах температуры стенок были заданы приближенно, то их необходимо уточнить.Для этого определим удельный тепловой поток исходя из температуртеплоносителей:
/>.
Температурыстенок могут быть найдены из выражений:
/>,
/>0С,
/>0С.
Пересчитаем α1и α2:
/>
При />=44,79 0С найдёмзначения Prw:
Prw=3,941,
/>.
/>.
/>.
Уточнимкоэффициент теплопередачи:
/>
Ещё разопределим значения температур стенок:
/>,
/> 0С,
/> 0С.
Пересчитаем α1и α2:
/>
При />=46,22 0С найдёмзначения Prw:
Prw=3,831,
/>.
/>.
/>.
Уточнимкоэффициент теплопередачи:
/>
Ещё разопределим значения температур стенок:
/>,
/> 0С,
/> 0С.
Т.к.расхождение с предыдущими температурами менее 1%, то полученную в последнемприближении величину k=2928,45 Вт/м2К будем считать окончательной.
Находимплощадь поверхности теплообмена Fрасч из уравнения теплопередачи.
/>,
/> м2,
Сравниваем /> и />.
/> – действительная площадьповерхности теплообмена.
Т.к.коэффициенты теплопередачи имеют разные порядки, то в качестве /> берём диаметр, равный /> м, т.к. />.
/> м2.
/>
/>
Из уравнениятеплового баланса находим расход горячего теплоносителя G1.
/>;
/> кг/с.
Заключение
В результатерасчета получили:
Температурыхолодного теплоносителя на выходе – />
Расходыгорячего и холодного теплоносителей:
G1 = 1,48 кг/с
G2 = 46,86 кг/с
Внутреннийдиаметр корпуса D = 0,402 м.
Тепловая мощностьаппарата Q= /> Вт
Список литературы
1. Шипилов В.М., Бухмиров В.В.,Чухин И.М. Пример расчета теплообменника: Методические указания к курсовойработе. – 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.