3. Рекомендации по выполнению конструктивного теплового расчета кожухотрубчатого теплообменного аппарата

1. Выписать исходные данные из таблицы в соответствии с номером заданного варианта. Если в качестве греющего теплоносителя задана вода, принять температуру ее на входе в теплообменник на 10 К ниже температуры насыщения при заданном давлении.

2. Определить тепловую мощность аппарата и расход греющего теплоносителя, если он не задан. Тепловые потери в окружающую среду принять равными 2 %.

Определить температуру греющего теплоносителя на выходе из теплообменного аппарата. Для пароводяных теплообменников переохлаждение конденсата не учитывать.

Для водо-водяных теплообменников тепловая мощность и конечная температура греющего теплоносителя определяются по уравнению теплового баланса:

(3.1)

где Q – тепловая мощность теплообменника, Вт;

и – начальная и конечная температуры греющего теплоносителя, С;

и – теплоемкость греющего и нагреваемого теплоносителей, Дж/(кг К);

=0,98 – КПД теплообменника.

Теплоемкость нагреваемого теплоносителя определяется по его средней температуре, греющего – по начальной.

Для пароводяных аппаратов тепловая мощность и расход греющего теплоносителя определяют из уравнения:

(3.2)

где и – энтальпии пара и воды в состоянии насыщения при заданном давлении греющего теплоносителя, Дж/(кг К).

3. Определить геометрические характеристики поперечного сечения теплообменного аппарата. Расчет следует начинать с теплоносителя, движущегося внутри труб. Предварительно принимается скорость воды в трубах w = 1,5 м/с и по (3.4) определяется сечение для прохода воды. По найденной площади и площади живого сечения одной трубы, рассчитанной по (3.5), рассчитывается число труб на один ход по (3.3).

Наружный диаметр труб в соответствии с рекомендациями Приложения 1 принимается равным 20 мм или 25 мм, толщина стенки – 1 мм.

Выбрав по Приложению 1 в зависимости от типа теплообменника и диаметра труб ближайшее число труб одного хода n, а также число ходов m и внутренний диаметр кожуха D_вн, следует уточнить площадь сечения для прохода воды, движущейся внутри труб и рассчитать действительную скорость ее движения. Затем рассчитывается площадь сечения межтрубного пространства и скорость движения греющей воды. Действительная скорость воды в трубах должна находиться в пределах 1,2…2,0 м/с.

(3.3)

где f – площадь сечения для прохода теплоносителя, движущегося внутри труб, м²;

f_тр – площадь внутреннего сечения одной трубы, м².

(3.4)

где

G – расход нагреваемого теплоносителя, движущегося внутри труб, кг/с,;

 – средняя плотность теплоносителя, движущегося внутри труб, кг/м³;

w – скорость теплоносителя, движущегося внутри труб, м/с.

(3.5)

где

d_вн – внутренний диаметр трубы, м.

Затем выбираем количество труб на один ход, внутренний диаметр кожуха. Используя формулы (3.3…3.5) определяем действительную скорость движения нагреваемого теплоносителя.

Для теплообменников типа “труба в трубе” диаметр внутренней трубы определяем по формуле

(3.6)

Выбрав ближайшее стандартное значение диаметра трубы, определяем действительную скорость движения теплоносителя.

(3.7)

Скорость, теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве, определяется только для водо-водяных аппаратов. Для кожухотрубчатых теплообменников по формуле

где f₂ – площадь межтрубного пространства в поперечном сечении теплообменного аппарата, м².

где D_вн – внутренний диаметр кожуха теплообменника, м;

n – количество труб на один ход, м;

d_нар – наружный диаметр труб, м;

m – число ходов.

Для теплообменников “труба в трубе” предварительно определяют внутренний диаметр внешней трубы D_вн (3,8) и (3,9), задавшись скоростью движения теплоносителя (1,5 м/с).

(3.8)

(3.8)

где d_нар – наружный диаметр внутренней трубы, м.

Выбираем ближайшее стандартное значение диаметра трубы и определяем действительные значения площади проходного сечения скорость движения теплоносителя.

4. Определить средний температурный напор.

Среднелогарифмический температурный напор определяем по формуле (2.10).

5. Рассчитать коэффициенты теплоотдачи теплоносителей.

Для водо-водяных теплообменников коэффициенты теплообмена с обеих сторон труб определяются по уравнениям подобия для вынужденной конвекции при течении в каналах.

По средним температурам теплоносителей следует определить теплофизические параметры теплоносителей (_ж; _ж; Pr_ж) и рассчитать число Рейнольдса

где

l – характерный размер, м.

Для теплоносителя, движущегося внутри труб, характерным размером является внутренний диаметр труб, для теплоносителя, движущегося в межтрубном пространстве – эквивалентный диаметр

,

где

f₁ – площадь межтрубного пространства в поперечном сечении теплообменного аппарата, м²;

– смоченный периметр межтрубного пространства в поперечном сечении, м.

При  10⁴ режим движения в каналах турбулентный. Для расчета числа Нуссельта следует использовать уравнение

.

Число Pr_ст определяют, задавшись в первом приближении температурой стенки:

.

Рассчитать коэффициент теплоотдачи с обеих сторон стенки труб

. (3.9)

Для пароводяных теплообменников коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенок труб к нагреваемому теплоносителю определяется по методике приведенной выше, а коэффициент теплообмена от греющего теплоносителя к наружной поверхности стенок труб – по формулам для теплообмена при пленочной конденсации неподвижного пара [5].

При вертикальном расположении пароводяного теплообменника первоначально определяют режим по величине параметра Z.

(3.10)

при Z  2300 режим ламинарный.

(3.11)

при Z  2300 – турбулентный.

. (3.12)

При горизонтальном расположении определяют коэффициент теплообмена на пучке горизонтальных труб

где

. (3.13)

В уравнениях (3.11-3.13) приняты следующие обозначения:

g – ускорение свободного падения, м/с²;

r – теплота парообразования , Дж/кг;

t – разность температуры насыщения и стенки;

Н – расстояние между перегородками (Н = 1 м), м;

d_н – наружный диаметр горизонтальных труб, м;

– среднее число труб в вертикальном ряду трубного пучка

N – число горизонтальных рядов труб в пучке, определяемое по Приложению 1.

В зависимостях (3.10)…(3.13) используются только теплофизические параметры конденсата, но не пара.

Физические параметры конденсата, отмеченные индексом “ж”, принимаются по температуре насыщения, индексом “ст” – по температуре стенки.

6. Рассчитать коэффициент теплопередачи по формуле для плоской стенки (толщина стенки много меньше радиуса трубы), загрязнениями стенок пренебречь.

где  – толщина стенки внутренней трубы, м;

 – теплопроводность материала трубы, Вт/(мК).

7. Рассчитать плотность теплового потока

Уточнить принятые ранее в первом приближении температуры стенки, используя одно из уравнений:

(3.14)

или

(3.15)

Если выполняется условие К, дальнейшее уточнение можно не выполнять. В противном случае следует повторить расчеты по п.п. 5 и 6, приняв температуру стенки равной .

8. Рассчитать площадь поверхности теплообмена и длину труб.

.

Длина труб определяется по формуле

. (3.16)

По Приложению 2 для водо-водяных и Приложению 3 для паро-водяных теплообменников определяем ближайшее значение длины труб.

9. Диаметры патрубков для подвода и отвода теплоносителей рассчитать, принимая скорость воды в пределах 1,2…2 м/с, скорость пара 30…50 м/с по формулам:

.

Окончательно все размеры теплообменника принять по Приложению 2 или 3 в соответствии с заданным типом теплообменного аппарата.