Часть II

9. Тепловой расчет теплообменного аппарата

Рассчитывается рекуперативный теплообменный аппарат, служащий подогревателем воды. Горячий теплоноситель – водяной (перегретый) пар (или газ), холодный теплоноситель – вода. Исходные данные для расчёта приведены в табл. П2.

Таблица П2. Исходные данные для расчёта теплообменника

, °C	, °C	, °C	, °C	G, кг/с	K, Вт/(м2∙К)
350	200	20	100	80	42

1.Определяется тепловая нагрузка (мощность теплового потока) аппарата по формуле:

Вт.

В этой формуле кг/с – расход горячего теплоносителя (из табл. 3); Дж/(кг∙°C) - удельная изобарная теплоёмкость горячего теплоносителя при температуре

°C;

°C, °C – температуры горячего теплоносителя на входе в теплообменный аппарат и на выходе из него соответственно (из табл. 3).

Тогда тепловая нагрузка

Вт.

2. Определяется среднелогарифмический температурный напор при прямотоке и при противотоке по формуле:

°C,

где - температурные напоры на входе в теплообменный аппарат и на выходе из него, °C.

При прямотоке

°C,

°C,

°C;

при противотоке

°C,

°C.

°C.

Строятся графики изменения температур для обеих схем движения по примеру, показанному на рис. 11. На графиках следует показать стрелками направление движения теплоносителя.

3. Определяется площадь F поверхности теплообмена при прямотоке и при противотоке по формуле:

м²,

где - коэффициент теплопередачи от газов (пара) к воде (из табл. 3), Вт/(м²∙К).

Для прямотока

2,931 м²,

для противотока

2,649 м².

4. Сравнивается интенсивность теплопередачи при прямотоке и при противотоке. В общем случае интенсивность теплопередачи характеризуется (средним) коэффициентом теплопередачи:

Вт/(м²∙K),

где - тепловой поток (Вт) сквозь поверхность площадью (м²) при температурном напоре (град.).

Преобразуем эту формулу к виду:

.

В рассматриваемом случае площадь теплообмена рассчитана для обеих схем движения теплоносителей при одинаковых значениях заданных величин и , следовательно, при одном и том же отношении . Поэтому одинаковыми оказываются произведения . Из этого следует: чем больший (логарифмический) температурный напор создаётся в теплообменнике, тем меньше может быть площадь поверхности теплообмена при той же тепловой нагрузке.

Так как площадь теплообмена при прямотоке м², а площадь теплообмена при противотоке м², то и, значит, схема противотока эффективнее!

10. Определение основных размеров теплообменного аппарата

Проведём (упрощенный) расчет кожухотрубного теплообменника (рис. 12).

Задача расчета - подбор количества и длины труб аппарата, соответствующих необходимой (расчётной) площади поверхности нагрева.

Недостающие параметры подбираются из табл. 4, где указаны наиболее часто используемые характеристики стальных гладкотрубных теплообменных аппаратов (ГОСТ 15121-79).

1.По рассчитанной величине площади теплообмена F=2,649 м² и выбранному из табл. 4 внешнему диаметру трубы d_нар = 0,032 м определяем общую длину трубы в расчете на одноходовой пучок при противотоке:

L = м.

При рабочей длине одной трубы l = 1,39 м, число труб в теплообменнике

шт.

Принимаем n=19 шт.

Внутренний диаметр корпуса теплообменника

D = D′ + d_нар +2К₀, м,

где D′ - наибольший диаметр окружности центров труб при кольцевой разбивке; К₀ - кольцевой зазор между крайними трубами и внутренней стенкой корпуса (К_0min = 6 мм).

Получаем

D = 192+32 +2∙6 = 236 мм.