6. Теплообменные аппараты

Тепловой расчет теплообменного аппарата может быть конс­трукторским, целью которого является определение поверхности теплообмена для заданного технологического процесса нагрева­ния или охлаждения теплоносителей, и поверочным, в результа­те которого при известной поверхности теплообмена определя­ется количество передаваемого тепла и конечные температуры теплоносителей. В обоих случаях основными расчетными уравне­ниями являются:

уравнение теплопередачи

;

уравнение теплового баланса, которое при условии отсутс­твия тепловых потерь, имеет вид

.

где G - массовый расход теплоносителя; h - энтальпия. Здесь индексы 1, 2 относятся соответственно к горячей и холодной жидкостям, индексы ^/ и ^// - к параметрам теплоносителей на входе в аппарат и на выходе из него. Полагая, что С_Р = соnst,

уравнение теплового баланса можно записать так:

Величина G  c_P = W представляет собой полную теплоемкость массового расхода теплоносителя в единицу времени и называ­ется расходной теплоемкостью или водяным эквивалентом.

Средний температурный напор t_СР в уравнении теплопе­редачи определяются схемой движения теплоносителей в аппара­те и интенсивностью изменения их температур. Среднелогарифмический напор при прямоточной и противоточной схеме включе­ния теплоносителей в теплообменном аппарате определяется по формуле

где t_Б, t_М - соответственно больший и меньший температур­ные напоры между теплоносителями.

Температурные напоры между теплоносителями определяются:

для прямотока и ;

для противотока и .

Если t_Б / t_М < 2 , то средний температурный напор между теплоносителями можно определять как среднеарифметический:

Коэффициент теплопередачи k для плоской теплопередающей поверхности рассчитывается по формуле

где ,  - соответственно толщина и коэффициент теплопро­водности материала стенки; ₁, ₂ - коэффициенты теплоотда­чи теплоносителей, определяемые критериальными уравнениями, приведенными в разделе 2.

Задача 6.1

В кожухотрубчатом пароводяном теплообменнике сухим насы­щенным паром с давлением р нагревается вода от температуры t₁ до t₂. Расход воды V. Коэффициент теплоотдачи при конден­сации пара ₁, переохлаждения конденсата не происходит. Оп­ределить количество пара, необходимое для нагрева, и величи­ну теплообменной поверхности аппарата, которая выполняется из латунных трубок d₂ / d₁ = 14 / 12 мм. Коэффициент теплопро­водности латуни  = 120 Вт/(мК). Количество трубок n.

Исходные данные для решения задачи выбрать из табл. 6.1.

Таблица 6.1

1-я цифра шифра	V, м3/ч	р, МПа	n	2-я цифра шифра	, 0С	, 0С	1, Вт/ (м2К)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	15 20 22 24 26 28 30 39 36 40	0.30 0.35 0.40 0.25 0.30 0.40 0.45 0.40 0.42 0.36	36 28 30 35 34 30 48 50 50 52	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	10 10 10 15 15 15 18 20 20 25	50 60 65 65 70 75 78 70 75 80	5.5 6.0 6.5 5.0 6.0 7.0 5.6 6.5 6.0 7.0

Задача 6.2

В секционном теплообменнике типа "труба в трубе" охлаж­дается водой трансформаторное масло. Масло движется по ла­тунной трубе диаметром d₂ / d₁ = 14 / 12 мм со скоростью w₁. Температура масла на входе в теплообменник . Вода движет­ся по кольцевому зазору противотоком по отношению к маслу со

скоростью w₂, ее температура на входе . Внутренний диа­метр внешней трубы d₃ = 22 мм. Определить общую длину тепло­обменного аппарата, при которой температура масла на выходе будет .

Исходные данные для решения задачи выбрать из табл. 6.2.

Таблица 6.2

1-я цифра шифра	w1, м/с	, 0С	, 0С	2-я цифра шифра	w2, м/с	, 0С
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	4.0 3.5 3.0 4.5 3.7 3.8 3.0 3.2 3.8 4.2	100 90 85 95 70 75 105 100 100 80	60 50 45 40 35 30 65 50 60 38	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	2.5 2.0 1.5 1.0 0.8 0.5 1.0 1.5 2.0 2.2	15 20 25 18 10 17 20 28 10 20

Задача 6.3

Определить поверхность нагрева, число и длину змеевиков пароперегревателя котла производительностью 230 т/ч пара при давлении р и температуре перегрева . В пароперегреватель поступает сухой насыщенный пар. Он движется по стальным тру­бам диаметром d₁ / d₂ = 38 / 32 мм (коэффициент теплопроводности стали 20 Вт/(мК)) со средней скоростью w₂. Дымовые газы среднего состава в количестве 500 т/ч движутся поперек труб­ного пучка. Температура газов на входе . Средняя скорость газов в сечении пучка w₁. Трубы расположены в коридорном порядке с шагом поперек потока s₁ = 2.3 d₂ и вдоль потока

s₂ = 3.0 d₂.

Исходные данные для решения задачи выбрать из табл. 6.3.

Таблица 6.3

1-я цифра шифра	р, МПа	, 0С	w2, м/с	2-я цифра шифра	w1, м/с	, 0С
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	9.0 9.8 11.0 12.0 6.0 8.0 11.0 7.0 9.0 12.0	500 510 510 565 450 520 510 480 530 540	20 15 17 18 25 16 25 22 26 20	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	14.0 12.0 10.0 8.0 13.0 14.0 12.5 9.5 15.0 14.0	1100 1150 1000 1050 1080 1200 1120 980 1100 1030

Задача 6.4

Определить конечные температуры теплоносителей и коли­чество переданного тепла в водоводяном теплообменнике по­верхностью 10 м². Расход нагреваемой воды V₂, ее начальная температура . Значение расхода и температуры греющей воды на входе в аппарат соответственно V₁ и . Коэффициент теплопередачи k.

Сравнить среднелогарифмический температурный напор при включении теплоносителей в аппарате по схемам "прямоток" и "противоток".

Исходные данные для решения задачи выбрать из табл. 6.4.

Таблица 6.4

1-я цифра шифра	V2, м3/ч	, 0С	2-я цифра шифра	V1, м3/ч	, 0С	k, Вт/(м2К)
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	1.5 2.0 1.8 2.5 3.0 3.5 2.8 1.8 1.4 2.2	10 15 5 8 12 20 25 18 8 5	0 1 2 3 4 5 6 7 8 9	0.35 0.40 0.50 0.26 0.45 0.25 0.30 0.20 0.27 0.45	95 85 90 80 85 95 95 80 85 90	500 600 700 580 750 800 680 560 820 740