1.3 Розрахунок теплообмінників із трьома теплоносіями

Задача 1.8. У теплообміннику з трьома теплоносіями здійснюється охолодження природного газу (потік ), що рухається в міжтрубному просторі. У трубах протікають метанові фракції, що нагріваються, (потоки і ). Робочі характеристики процесу такі.

Температура природного газу на вході в апарат: К; тепловий потік, переданий від природного газу (теплоносій ): Вт; водяний еквівалент теплоносія : Вт/к.

Температура метанової фракції (потік ) на вході: К, коефіцієнт теплопередачі від потоку до : Вт/(м²К), водяний еквівалент потоку : Вт/К.

Температура метанової фракції (потік ) на вході: К, коефіцієнт теплопередачі від потоку до : Вт/(м²К), Вт/К; відношення площ поверхонь теплообміну потоків "с" і "b" . Визначити площі теплообмінних поверхонь і .

Рис. 1.6 Схема теплообмінника з трьома теплоносіями

Розв’язання

Рівняння для теплового потоку, відданого теплоносієм "а", відповідно до[1,4] має такий вигляд:

, Вт

де - корені характеристичного рівняння;

,

,

,

,

,

.

.

1. Знаходимо значення , , , , , , , , :

м²

м^-2.

Вт/м²

м^-2; м^-2

Вт

Вт

Вт

2. Розраховуємо коефіцієнти в рівнянні для теплового потоку:

Вт

Вт

Вт

Підставляючи в рівняння для теплового потоку вже відомі величини, одержуємо:

Проводимо розв’язання цього рівняння методом послідовних наближень, що полягає в підборі значення , яке перетворює рівняння в тотожність. Даному рівнянню задовольняє значення м².

3. Знаходимо значення :

м².

Значення м².

4. Визначаємо тепловий потік, переданий теплоносієві :

, Вт

5. Знаходимо температури теплоносіїв у другому крайньому перерізі теплообмінного апарата:

К;

К;

К.

2. Розрахунок рекуперативних теплообмінників періодичної дії

2.1 Розрахунок теплообмінників із паровим обігрівом

Задача 2.1. Водонагрівач-акумулятор з паровим обігрівом служить для нагрівання води протягом хв. від ⁰С до ⁰С. Суха насичена водяна пара надходить у пучок горизонтальних алюмінієвих труб діаметром мм. Тиск пари на вході МПа. Температура стінки труб нижча температури пари на 4 ⁰С. Об’єм води в акумуляторі складає 0,5 м³. Визначити необхідну поверхню теплообміну.

Розв’язання

Формула для площі теплообмінної поверхні, необхідної для нагрівання води від до за час [1,7]:

1. Знаходимо необхідні для розрахунку теплофізичні властивості теплоносіїв.

Для води, що нагрівається:

визначальна температура ⁰С

при цій температурі властивості води відповідно рівні (табл. 1 Додатку):

кг/м³; кг/м³; м²/с;

Вт/(мК); ; ; кДж/(кгК); К^-1

Для конденсату при температурі насичення (табл. 2 Додатку):

при МПа - ⁰С

кг/м³; Па·с;

густина сухої насиченої пари кг/м³

коефіцієнт поверхневого натягу Н/м;

Вт/(мК), кДж/(кгК)

2. Середній коефіцієнт тепловіддачі при конденсації пари, що рухається в трубах [8]:

,

де - критерій Вебера

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі при плівковій конденсації на горизонтальних трубах за формулою Нуссельта [3]:

Вт/(м²К)

Розраховуємо :

Вт/(м²К)

3. Середній коефіцієнт тепловіддачі при природній конвекції для горизонтальних труб визначаємо по [3].

Число Релея:

Для діапазону число Нуссельта розраховується за таким рівнянням:

Коефіцієнт тепловіддачі від поверхні труб до води:

Вт/(м²К)

4. Розраховуємо коефіцієнт теплопередачі:

Вт/(м²К)

5. Маса води, що нагрівається:

кг

6. Площа поверхні теплообміну:

м²

Задача 2.2. Нагрівання води здійснюється в акумуляторі за рахунок теплоти сухої насиченої пари, що конденсується. Пара тиском МПа протікає у вертикальних трубах діаметром мм, довжина кожної труби м, кількість труб шт. Вода нагрівається у баку об’ємом 0,6 м³ від ⁰С до ⁰С. Коефіцієнт теплопередачі Вт/(м²К). Визначити час нагрівання.

Розв’язання

1. Розраховуємо поверхню теплообміну:

м²

2. Властивості води, що нагрівається, при визначальній температурі ⁰С (табл. 1 Додатку):

кг/м³; кДж/(кгК)

2. Визначаємо тривалість нагрівання [1,7]:

с