1.2 Розрахунок теплообмінників із двофазними теплоносіями

Задача 1.7. У конденсаторі-випарнику на зовнішній поверхні труб відбувається конденсація сухої насиченої водяної пари при тиску 4,76·10⁵ Па. У трубах кипить вода. Потрібно випарувати 1600 кг/год води, що надходить в апарат при температурі насичення ⁰С. Труби довжиною 1,5 м, зовнішнім діаметром 20 мм, товщиною стінки 1,5 мм розташовані горизонтально. Швидкість руху води складає 0,1 м/с. Визначити витрату пари, що конденсується, і необхідну площу теплообмінної поверхні.

Розв’язання.

1. Визначаємо теплофізичні властивості теплоносіїв (Таблиця 1 Додатку).

   0. Для конденсату при Р_S1= 4,76·10⁵ Па: ⁰С ; Дж/(кгК); Вт/мК; кг/м³; Па·с; кдж/кг

   1. Для киплячої води: ⁰С: Р_S2= 1,98·10⁵ Па; Дж/(кгК); Вт/(мК); кг/м³; Па·с; кДж/кг;

2. Визначаємо кількість теплоти, яку необхідно затратити на випар:

кВт

3. Розраховуємо витрату пари, що конденсується:

кг/с

4. Визначаємо коефіцієнти тепловіддачі з боку пари, що конденсується, і киплячої води [3].

   0. 4.1 Коефіцієнт тепловіддачі при плівковій конденсації пари на горизонтальних трубах:

- тут - температура стінки труби.

4.2 Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі при бульбашковому кипінні рідини, що рухається у трубах. Попередньо потрібно визначити співвідношення коефіцієнтів тепловіддачі при кипінні у великому об’ємі і при русі однофазної рідини в трубах ,

4.2.1 Коефіцієнт тепловіддачі при кипінні у великому об’ємі [3]:

4.2.2. Коефіцієнт тепловіддачі при русі рідини в трубах

Число Рейнольдса:

Для перехідного режиму руху в діапазоні залежність для числа Нуссельта наступна [3]:

Поправка , тому що . З таблиць [3] знаходимо .

- при визначальній температурі, рівній середній між температурами теплоносіїв: ⁰С.

Вт/(м²К)

Для даного значення температури стінки

Вт/(м²К)

При коефіцієнт тепловіддачі залежить тільки від інтенсивності паротворення [3]:

5. Визначаємо щільність теплового потоку.

5.1. Складаємо рівняння для розрахунку щільності теплового потоку, переданого від пари, що конденсується, до стінки і від стінки до киплячої рідини (термічним опором сталевої стінки нехтуємо):

Вт/м²

Вт/м²

У зв'язку з тим, що температура стінки не відома, ведемо розрахунок методом послідовних наближень.

5.2 Задаючись значеннями в діапазоні ⁰С, розраховуємо відповідні величини і . Дані заносяться в таблицю.

Таблиця 1.4

Значення щільності теплового потоку з боку кожного теплоносія у залежності від середньої температури стінки

, 0С	, град.	, Вт/м2	, град.	, Вт/м2
120	30	3,26·105	0	0
125	25	2,8·105	5	5,846·103
130	20	2,4·105	10	58,793·103
135	15	1,9·105	15	226,84·103
150	0	0	30	2281,11·103

Будуємо графік залежності щільності теплових потоків від температурного напору.

, ⁰С

Рис. 1.5 Залежність щільності теплового потоку і від температурного напору.

5.3 Перетин кривих дозволяє знайти значення температурного напору, температури стінки і щільність переданого теплового потоку:

⁰С; ⁰С; Вт/м².

3. Розраховуємо площу теплообмінної поверхні:

м²