2.2 Розрахунок теплообмінників із обігрівом однофазним теплоносієм

З адача 2.3. Водонагрівач-акумулятор з водяним обігрівом (рис. 2.1) служить для нагрівання 900 кг води протягом 30 хв. від ⁰С до ⁰С. Витрата води, що гріє - 3 т/ч, її температура на вході - ⁰С. Вода, що гріє, зі швидкістю м/с протікає по горизонтальним трубам діаметром мм, матеріал труб – сталь, Вт/(мК). Визначити необхідну поверхню теплообміну.

Розв’язання.

1. Виписуємо теплофізичні властивості теплоносіїв, що гріє і нагрівається (Табл. 1 Додатку). Приймаємо як визначальну температуру води, що гріє, на вході в апарат, оскільки вихідна температура не задана й у процесі роботи вона буде безупинно підвищуватися. Визначальна температура води, що нагрівається, - середня за час нагрівання ^: 0С.

: кг/м³; м²/с;

Вт/(мК);

⁰С: кг/м³; м²/с;

Вт/(мК); К^-1,

2. Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі від води, що гріє, до внутрішньої поверхні труби.

Число Рейнольдса:

Число Нуссельта при турбулентному плині рідини в трубах [3]:

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

Коефіцієнт тепловіддачі з боку рідини, що гріє:

Вт/(м²К)

3. Розраховуємо середній за час нагрівання коефіцієнт тепловіддачі від поверхні труб до рідини, що нагрівається.

Розраховуємо число Релея:

Тут ⁰С - різниця температур стінки і теплоносія, що нагрівається, у розрахунку приймаються їхні середні значення.

Розраховуємо число Нуссельта. Для горизонтальних труб в умовах вільної конвекції при критеріальне рівняння має вигляд [3]:

Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі з боку середовища, що нагрівається:

Вт/(м²К)

4. Розраховуємо коефіцієнт теплопередачі:

Вт/(м²К)

5. Визначаємо площу теплообмінної поверхні, що необхідна для нагрівання води до заданої температури за час 30 хв. [1,7], знайшовши попередньо водяний еквівалент води, що гріє:

Вт/К

Задача 2.4 Водонагрівач-акумулятор з водяним обігрівом служить для нагрівання 900 кг води протягом 30 хв. від ⁰С. Вода, що гріє, протікає по горизонтальних трубах діаметром мм, загальна кількість труб - , матеріал труб – сталь ( Вт/(мк)). Швидкість води, що гріє, м/с, її температура на вході ⁰С. Площа теплообмінної поверхні складає 5 м². Визначити температуру води наприкінці процесу нагрівання.

Розв’язання

1. Виписуємо теплофізичні властивості для теплоносіїв (Таблиця 1 Додатку). У першому наближенні приймаємо як визначальну для води, що гріє, її температуру на вході в апарат, для води, що нагрівається - її початкову температуру:

1.1 : кг/м³; м²/с;

Вт/(мК); ; кДж/(кгК).

1.2 ⁰С: кг/м³; м²/с;

Вт/(мК); К^-1, ; кДж/(кгК)

2. Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі від води, що гріє, до внутрішньої поверхні труби.

Число Рейнольдса:

Число Нуссельта:

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

Коефіцієнт тепловіддачі з боку рідини, що гріє:

Вт/(м²К)

3. Розраховуємо середній за період коефіцієнт тепловіддачі від поверхні труб до рідини, що нагрівається.

Розраховуємо число Релея:

Тут ⁰С - різниця температур стінки і теплоносія, що нагрівається.

Розраховуємо число Нуссельта. Для горизонтальних труб в умовах вільної конвекції при критеріальне рівняння має вигляд [3]:

Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі з боку середовища, що нагрівається:

Вт/(м²К)

4. Розраховуємо коефіцієнт теплопередачі:

Вт/(м²К)

5. Для визначення температури води, що нагрівається, наприкінці процесу нагрівання можна скористатися формулою [1,7]:

де

,

–

середні по об'єму температури води в початковий і кінцевий моменти часу.

Одержуємо рівняння для розрахунку кінцевої температури:

,

де водяний еквівалент

Вт/К

Підставляємо отримані значення в рівняння для розрахунку :

⁰C

6. Повторюємо розрахунок у другому наближенні, задаючись кінцевою температурою води, що нагрівається, ⁰С, і приймаємо в якості визначальної її середню температуру:

⁰С:

кг/м³; м²/с;

Вт/(мК); К^-1, ; кДж/(кгК)

- при визначальній температурі, рівній середній між теплоносіями за період: ⁰С.

Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі від води, що гріє, до внутрішньої поверхні труби.

Коефіцієнт тепловіддачі з боку рідини, що гріє:

Вт/(м²К)

Розраховуємо середній за період коефіцієнт тепловіддачі від поверхні труб до рідини, що нагрівається.

Розраховуємо числа Релея і Нуссельта:

Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі з боку середовища, що нагрівається:

Вт/(м²К)

Розраховуємо коефіцієнт теплопередачі:

Вт/(м²К)

Температура наприкінці періоду нагрівання:

⁰С

7. У третьому наближенні приймаємо кінцеву температуру нагрівної води ⁰С, і розраховуємо її середню температуру в якості визначальної: ⁰С. У третьому наближенні одержуємо коефіцієнт теплопередачі Вт/(м²К), температуру наприкінці процесу нагрівання: ⁰С.

Розрахунок вважаємо закінченим.