3. Задания на выполнение теплогидравлического расчета тепло- обменных аппаратов

Выполнить тепловой и гидравлический расчет кожухотрубного ТА, предназначенного для нагревания газообразного азота потоком продуктов сгорания.

Поток продуктов сгорания с массовым расходом G₁, давлением на вхо-

1

де P ¹

и температурой на входе t₁' движется внутри труб. Потери давления не

должны превышать p₁ .

Газообразный азот с массовым расходом G₂, давлением на входе P₂' и температурой на входе t₂' и температурой на выходе t₂" движется в межтруб-

ном пространстве. Потери давления не должны превышать

p₂ .

Исходные данные для различных вариантов приведены в табл. 2.3.

4. Схемы теплогидравлических расчетов теплообменных аппаратов

Схема проектного расчета теплообменного аппарата с использованием среднелогарифмического температурного набора

Исходные данные:

греющий теплоноситель: G₁, t₁', P₁', ΔP₁ (не более); нагреваемый теплоноситель: G₂, t₂', P₂", ΔP₂ (не более).

Примем, что греющий теплоноситель движется в трубах.

Таблица 2.3

Исходные данные на выполнение теплового и гидравлического расчета та

Номер вари- анта	Схема движения теплоно- сителя	Компоновка труб в пучке	Продукты сгорания				Азот					Трубы
			G1, кг/с	t1', 0С	P1', МПа	ΔP1, МПа	G2, кг/с	t2', 0С	t2", 0С	P2', МПа	ΔP2, МПа	dв, мм	dн, мм
1-1	Прямоток	Треугольная	2,73	691	1,72	0,028	3,05	-23	74	2,35	0,145	12	13
1-2		Концентрическая	2,63	671	1,72	0,027	2,95	-23	74	2,35	0,14	12	13
1-3		Треугольная	2,53	651	1,72	0,026	2,85	-23	74	2,35	0,135	10	11
1-4		Концентрическая	2,43	591	1,72	0,025	2,75	-23	74	2,35	0,13	8	9
1-5		Треугольная	2,33	631	1,72	0,024	2,65	-23	74	2,35	0,125	10	11
1-6		Концентрическая	2,23	611	1,72	0,023	2,55	-23	74	2,35	0,12	8	9
1-7		Треугольная	2,12	591	1,72	0,022	2,45	-23	74	2,35	0,115	8	9
2-1	Противо- ток	Треугольная	2,73	691	1,72	0,028	3,05	-23	74	2,35	0,145	12	13
2-2 2-3 2-4		Концентрическая Треугольная Концентрическая	2,63 2,53 2,43	671 651 591	1,72 1,72 1,72	0,027 0,026 0,025	2,95 2,85 2,75	-23 -23 -23	74 74 74	2,35 2,35 2,35	0,14 0,135 0,13	12 10 8	13 11 9
2-5		Треугольная	2,33	631	1,72	0,024	2,65	-23	74	2,35	0,125	10	11
2-6		Концентрическая	2,23	611	1,72	0,023	2,55	-23	74	2,35	0,12	8	9
2-7		Треугольная	2,13	591	1,72	0,022	2,45	-23	74	2,35	0,115	8	9
3-1	Реверсив-	Треугольная	2,73	691	1,72	0,028	3,05	-23	74	2,35	0,145	12	13
3-2		Концентрическая	2,63	671	1,72	0,027	2,95	-23	74	2,35	0,14	12	13
3-3	ный ток	Треугольная	2,53	651	1,72	0,026	2,85	-23	74	2,35	0,135	10	11
3-4		Концентрическая	2,43	591	1,72	0,025	2,75	-23	74	2,35	0,13	8	9
3-5		Треугольная	2,33	631	1,72	0,024	2,65	-23	74	2,35	0,125	10	11
3-6		Концентрическая	2,23	611	1,72	0,023	2,55	-23	74	2,35	0,12	8	9
3-7		Треугольная	2,13	591	1,72	0,022	2,45	-23	74	2,35	0,115	8	9

Примечания:

1. Теплофизические свойства продуктов сгорания и азота принять по- стоянными и равными:

продукты сгорания: C_p1=1084 Дж/(кг·К); λ₁=0,054 Вт/(м·К); μ₁=34,7·10^-6 H·c/м²; R₁=271 Дж/(кг·К);

азот: C_p2= 1079 Дж/(кг·К); λ₂=0,025Вт/(м·К); μ₂=18,5·10^-6 H·c/м²;

R₂=297 Дж/(кг·К), где R- газовая постоянная.

2. Материал труб – нержавеюшая сталь, λ_W=14,4 Вт/(м·К).

3. Потери теплоты и загрязнения поверхностей не учитывать.

Последовательность расчета

1. На основе опыта проектирования ТА выбирают:

• схему движения теплоносителей (прямоток, противоток, реверсивный ток и т.п.);

• диаметры труб d_в, d_н, материал труб (λ_w);

• компоновку труб в пучке (расположение труб по вершинам треуголь- ников или по концентрическим окружностям);

• шаг между трубами S.

2. Средняя (определяющая) температура теплоносителя с заданными концевыми температурами:

^t2ср





t₂



• t₂

/ 2 .

3. По t_2ср находят теплофизические свойства теплоносителя μ₂, λ₂ , C_p2

определяют последующие параметры.

4. Тепловой поток в ТА определяют формулой:

 

Q W_{2 }t₂

t_{2 },

где W₂ G₂ C_p2 .

5. Выходная температура греющего теплоносителя равна:

 ^⎛

t _⎜^⎜t 

Q ^⎞

_⎟^⎟,

1 1

W

⎝ 1 ⎠

где W₁ G₁ C_p1 .

В первом приближении C_p1 определяют по t₂'.

6. Средняя (определяющая) температура греющего теплоносителя

^t1ср





t₁



• t₁

/ 2 .

7. По t_1ср находят теплофизические свойства греющего теплоносителя ^μ1^{, λ}1 ^{, C}p2.

Расчет с п. 5 повторяется с уточненным значением C_p2.

8. Плотность греющего теплоносителя вычисляют по формуле:

₁ 

P_{1 ,}

^R1^T1cp

где среднее давление

P₁ P₁' P₁" / 2.

В первом приближении P₁=P₂'. После

выполнения гидравлического расчета значение ρ₁ уточняется.

9. Для теплоносителя, движущегося внутри труб, задают скорость W₁

10. Из уравнения неразрывности потока находят потребное число труб в ТA:

_{n } z 4 G_{1 ,}

d ² V

1 в 1

где z – число ходов в трубах.

11. С помощью соответствующих формул или таблиц (см. табл. 2.1) находят фактическое число труб, размещаемых в трубном пучке принятой конфигурации n_ф.

12. По фактическому числу труб n_ф проверяют скорость при движении

теплоносителя в трубах:

V₁ 

z 4 G_{1 .}

d ² n

1 в ф

Если скорость W₁, неприемлема, расчет с п. 9 повторяется с уточненной скоростью W_2.

13. Числа Рейнольдса и Прандтля для греющего теплоносителя опреде- ляют формулами:

_{Re }₁ V₁ d_{в ;}

₁

^1^Cp1



Pr₁  .

1

14. Определяют число Нуссельта греющего теплоносителя для соответ- ствующего режима течения Nu_2.

Первоначально поправка на неизотермичность ε_T принимается равной 1

(т.е. принимается t_1ср = t_wв). После расчета α₁ и α₂, определения k и t

опре-

деляют t_wв и проверяют значение ε_T. При необходимости расчет числа Nu₁

уточняют.

15. Коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя находят

формулой:

_{}Nu₁ _{1 .}

1 _d

в

16. По фактическому числу труб n_ф определяют геометрические харак- теристики трубного пучка: S_мтр, d_э, D_к.

17. Плотность массового потока нагреваемого теплоносителя рассчи- тывают по формуле:

w₂

^G2 .

^Sмтр

18. Плотность нагреваемого теплоносителя равна:

₂ 

P_{2 ,}

R T

2 2cp

где среднее давление

P₂ P₂' P₂" / 2. В первом приближении

P₂ P₂' . По-

сле выполнения гидравлического расчета значение ρ₂ уточняется.

19. Среднерасходная скорость теплоносителя в межтрубном простран- стве определяется формулой:

^w

2

V₂  ,

₂

значение скорости сопоставляется с рекомендуемыми значениями скоростей в каналах ТА (см. табл. 2.2).

Если скорость окажется неприемлемой, то, изменяя в допустимых пре- делах диаметры труб, скорость среды в них (W₁), а также конструкционные характеристики компоновки труб (шаг между трубами), можно получить нужное значение скорости W₂. В этом случае расчет повторяется с п.2.

20. Числа Рейнольдса и Прандтля для нагреваемого теплоносителя рас- считывают по формулам:

Re₂

_₂ V₂ d_{э ;}

₂

Pr₂

₂ C_{p 2}

 .

₂

21. Определяют число Нуссельта нагреваемого теплоносителя для соответствующего режима течения Nu₂.

Поправку на неизотермичность ε_T в первом приближении принимают равной 1 (т.е. принимают t_1ср = t_wн). После определения температуры стенки t_wн расчет числа Nu₂ уточняют.

22. Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому теплоносите- лю вычисляют формулой:

 ^Nu22 .

d

2

э

23. Коэффициент теплопередачи, отнесенный, например, к внутренней поверхности труб k_в.

1

^{kв }1



d _{в ln}

d _{н }

,

d _в

₁ 2_w

d_в ₂d_н

24. По соответствующим формулам или с помощью графиков определя-

ют средний температурный напор

t .

25. Потребная площадь теплопередающей поверхности с внутренней стороны труб равна:

F_в 

Q _.

к_в t

26. Рабочая длина труб в одном ходе (расстояние между трубными ре- шетками) определяется формулой:

l  ^Fв .

d_в n_ф

27. Вследствие ограниченной точности расчетных соотношений, ис- пользуемых в тепловом расчете, и ряда неучитываемых факторов на практи- ке увеличивают размеры теплопередающей поверхности (длину труб) на 5…15%, т.е. берут коэффициент запаса k_з = 1,05÷1,15.

С учетом коэффициента запаса принимают l_ф k_з l .

28. Фактическая площадь теплопередающей поверхности с внутренней стороны труб равна:

^Fвф

d_в n_ф l_ф .

29. Фактический тепловой поток, передаваемый в ТА рассчитывают по

формуле:

Q_ф k_в t F_вф .

30. Вычисляют объем матрицы ТА:

2

_{V }D_k

^м 4

l_ф .

31. Геометрический (k_г) и тепловой (k_т) коэффициенты компактности ТА рассчитывают формулами:

k_г 

^Fвф _; V_м

k ^Qф .

V

т

м

Расчет ТА по п.п. 2...31 уже может дать представление о правильности выбранных величин. Если полученное число труб и их длина не соответст- вуют возможностям создания совершенного с точки зрения надежности и технологичности ТА, то дальнейшие расчеты по принятому варианту прово- дить не следует.

Приемлемые значения l_ф и d_в достигаются соответствующим изменени- ем выбранных скоростей или диаметра труб или обеих этих величин вместе с уточнением ранее проведенных расчетов.

32. Температуры на внутренней и наружной поверхностях труб (со стороны греющего и нагреваемого теплоносителя) рассчитывают по форму- лам:

_{t t} k_в t

t t

• k_в t _d_{в .}



wв ^

1cp ^{ ;}

1

wn 2cp

₂ d_н

33. По выбранным скоростям теплоносителей, которые могут быть близки к скоростям W₁ и W₂ в аппарате с помощью уравнения неразрывности определяют проходные сечения патрубков и их диаметры

d 1,13 ^G .

^п w

Гидравлический расчет трактов греющего и нагреваемого теплоно-