iSswV45XbM
.pdf= |
|
·100 ≈ 2,4 % |
(5.41) |
|
|||
Поскольку расхождение меньше заданных 4%, то принимаем |
=21,18 оС |
и= 20 ,39 о С.
Определяем площадь |
поверхности теплообмена |
масляного |
|||
холодильника исходя из уравнения теплопередачи: |
|
||||
= |
|
= |
|
= 53, 49 м2, |
(5.42) |
|
|
где k – последнее уточненное значение коэффициента теплопередачи, а Q – тепловая мощность (тепловая нагрузка холодильника), – среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями при выбранной схеме их движения. С учетом загрязнения увеличиваем поверхность на 10 %, т.е. = 1,1· 53,5 = 58,85 м2 .
Количество труб в пучке определится при заданном расходе холодного теплоносителя, принятой скорости и одноходовой схеме движения по формуле:
nтр = |
|
= |
|
= 790 |
(5.43) |
|
|
Аналогичным расчетом может быть определена длина L пучка труб между трубными досками:
L = |
|
= |
|
= 2,9 7м. |
(5.44) |
|
|
Компоновка рассчитанной поверхности теплообмена
Компановка должна учитывать свойства теплоносителей. В рассматриваемом случае вода имеет хорошие теплопередающие свойства и поэтому выбрано её течение внутри трубок, в то время как масло – плохие и её движение предпочтительней между трубками пучка в поперечном направлении. В общем случае компоновочный расчет может быть произведен следующим образом.
Принимая по соображениям компактности 2-х ходовую схему движения холодного теплоносителя (Рис. 12), получим рабочую длину труб в 2 раза меньшую L, т. е. = 1,45 ≈ 1,5 м.
50
Рисунок 12. Пример многоходового теплообменника с 6 перегородками - А; схема движения теплоносителей - Б; - эффективная длина труб;
– шаг размещения сегментных перегородок
Уточняем количество труб, которое может разместиться в трубной доске, выбирая разбивку труб по сторонам правильных шестиугольников (см. Приложение 26), памятуя, что при 2-х ходовой схеме в трубной доске должно быть размещено количество трубок равное 2 nтр = 790. Из таблицы Приложения 26 видно, что ближайшее количество трубок в пучке равно 1519. Соответствующее этому числу трубок количество трубок a в диагонали внешнего шестиугольника пучка будет равно 45, число трубок aл одной стороны этого шестиугольника равно 23. Учитывая найденное значение a, а также принятый шаг расположения трубок S = 0,015м и рекомендуемое минимальное значение кольцевого зазора β = 0,006 м между крайними трубками и корпусом, рассчитываем внутренний диаметр D корпуса холодильника:
D =( a – 1) S + a ·dн + 2·β = |
|
(45 -1)0,015 +45·0,01 + 2·0,006 = 1,122 м |
(5.45) |
Определяем необходимую среднюю продольную площадь сечения f для прохода масла в межтрубном пространстве пучка, обеспечивающую заданную скорость масла wм = 1 м/с из уравнения неразрывности потока:
f = |
|
= |
|
= 0,047 м2 |
(5.46) |
|
|
Определяем фактически имеющуюся при выбранной разбивке минимальную площадь прохода масла между трубками пучка:
51
fмин = [(S - dн)·( aл – 1) + 2·β]· = |
|
|
[(0,015 – 0,01)·( 23 – 1) + 2·0,006]· |
= 0,183 м2 |
(5.47) |
Определяем число ходов между перегородками пучка труб, обеспечивающих проходное сечение f, необходимое для получения заданной скорости масла wм = 1 м/с, как отношение площадей fмин / f :
nл = fмин / f = 0,183/0,047 = 4, |
(5.48) |
следовательно, число перегородок nп будет на 1 меньше, т. е. nп = nл - 1 = 3.
Определяем площадь сегмента fсег (Рис. 13) в перегородках, которая должна быть равна минимальной площади прохода f между перегородками:
|
|
|
|
fсег = |
|
|
|
) = 0,047= |
|
|
|
||||||
= |
|
|
|
). |
(5.49) |
|||
|
|
Рисунок 13. Размеры сегментной перегородки: fсег – площадь сегмента; h – высота сегмента; β- кольцевой зазор между крайними трубками пучка и корпусом; – угол сегмента
Решая уравнение (5.49) относительно угла , находим его численное значение равное 73о.
Определяем высоту h сегмента перегородки по формуле:
h = ·[1- cos( )] = ·[1- cos( )] = 0,113 м. (5.50)
Гидравлическое сопротивление поперечному потоку масла
52
Гидравлическое сопротивление в пучке труб рассчитываем, прежде всего, как сумму местных сопротивлений сужения и расширения потока, поскольку сумма сопротивлений трения в этом случае будет пренебрежимо мала. При этом коэффициент местного сопротивления может быть рассчитан по формуле:
|
ζ = (5,4 + 3,4·m)· |
= |
= (5,4 + 3,4·45)· |
= 44,75, |
(5.51) |
где m – число рядов трубок в пучке.
Перепад давления на длине одного хода определится формулой:
|
|
|
|
pi = ζ· |
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
||
= 44,75· |
|
|
= |
19958,5 ≈ 0,02 мПа. |
|
(5.52) |
|
|
|
|
|||||
Учитывая 4 |
хода |
потока в пучке между перегородками, суммарное |
|||||
сопротивление составит величину |
|
|
|||||
|
|
pм∑ =∑Δpi = 4·0,02 = 0,08 мПа. |
(5.53) |
Гидравлическое сопротивление потоку охлаждающей воды в трубках пучка
Гидравлическое сопротивление потоку рассчитывается аналогично. Оно складывается из гидравлического сопротивления трения pтр (в данном случае при турбулентном неизотермическом течении) и местного
сопротивления pм.с., |
обусловленного коэффициентом потерь на резкий |
|||||||||||||||||
поворот воды на 180 |
о |
при 2-х ходовом движении и коэффициентами потерь |
||||||||||||||||
|
|
|||||||||||||||||
на вход и выход потока из трубок ( |
, |
): |
||||||||||||||||
|
pтр = ξ· |
|
|
|
|
|
|
|
= 0,028· |
|
|
|
|
|
|
= 10269 Па, (5.54) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
где ξ – коэффициент трения рассчитывается по формуле |
||||||||||||||||||
ξ = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
(5.55) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0,028; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
местные сопротивления определяются выражением
53
pм.с. = ( + + |
)· |
|
= |
(5.56) |
|
|
|
|
|
|
= (2,0 + 0,5 + 0,5)· |
|
= 2934 Па, |
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
где коэффициенты местного сопротивления |
, |
, |
выбираются из |
|||||||||||||
таблицы (Приложение 25); |
|
|
|
|||||||||||||
суммарное сопротивление потоку воды в холодильнике |
|
|||||||||||||||
|
pв∑ = pтр |
+ pм.с |
= |
|
|
|
|
|
(5.57) |
|||||||
|
|
|
|
|
= 10269 + 2934 = 13203 Па ≈ 0,013 мПа. |
|
||||||||||
Расчет мощности, необходимой для прокачки жидкостей через |
||||||||||||||||
теплообменник, может быть найден по формуле: |
|
|
||||||||||||||
|
N = |
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
(5.58) |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
где |
– к. п. д. насоса, |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
– расход масла, кг/ час; |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
для потока масла получаем |
|
|
|
|||||||||||||
|
Nм = |
|
|
= |
|
|
|
= 4152 Вт, |
|
|
(5.59) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
для потока воды |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Nв = |
|
= |
|
|
|
= 815 Вт, |
|
|
(5.60) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
где |
– объемный расход воды, м3 / час. |
|
|
|
Контрольные вопросы самопроверки к 5-й главе
1.Объясните назначение вертикальных перегородок в теплообменнике, изображенном на Рис. 10.
2.Определите по Рис.10, какого типа трубные доски в теплообменнике, подвижного или неподвижного и выберите соответствующие им позиции.
3.Определите по Рис. 10, сколько ходов имеет теплоноситель в трубках пучка?
4.Определите, какая схема движения теплоносителей применена на Рис. 11?
54
5.Объясните, как влияет кольцевой зазор β между крайними трубками пучка и корпусом, изображенный на Рис. 13, на теплоотдачу в пучке и каков его рекомендуемый диапазон?
6.Объясните, на что влияет число ходов между перегородками пучка труб?
7.Напишите уравнение неразрывности потока теплоносителя в межтрубном пространстве пучка.
55
Глава 6. АЛГОРИТМ КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЕТА СЕКЦИОННОГО ТЕПЛООБМЕННИКА ТИПА «ТРУБА В ТРУБЕ»
Типичная схема движения теплоносителей и конструктивного устройства такого теплообменника показана на Рис. 14. Особенностью устройства является то, что одна труба концентрически расположена в другой большего диаметра. Внутренняя труба может иметь продольные ребра, которые приварены к ней внутри или снаружи для увеличения поверхности теплообмена и уменьшения термического сопротивления со стороны с более низким коэффициентом теплоотдачи.
Рисунок 14. Схема конструктивного устройства секционного теплообменника «труба в трубе»:1 – большая (наружная) труба; 2 – малая (внутренняя) труба; 3 – продольные ребра
Рисунок 15. Схема потоков в секционном теплообменнике типа «труба в трубе»; а – односекционный; б – двухсекционный
56
Для выполнения условий, которые ограничивают перепад давлений по каждому теплоносителю и применимости понятия средней разности температур, секции таких теплообменников соединяют или параллельно, или последовательно. Теплообменники «туба в трубе» используют в основном тогда, когда для охлаждения или нагрева одного из теплоносителей требуется небольшая поверхность теплообмена (не более 50 м2). Их преимущества – разнообразие компоновок, простота конструкции, быстрота сборки и монтажа на месте, эффективная очистка поверхности теплообмена по обеим сторонам. Основные недостатки – большие массогабаритные показатели, высокая стоимость на единицу поверхности теплообмена.
При эксплуатации таких теплообменников отложения на поверхности труб существенно зависят от её температуры, поэтому конструкции с развитой поверхностью (оребрённые) имеют при одной и той же тепловой нагрузке меньшую температуру, а, следовательно, и меньшие потери в теплопередаче. Теплообменники «труба в трубе» часто изготавливают в виде много секционных аппаратов, соединенных последовательно-параллельно, что позволяет при изменении расходов подключать или отключать параллельные секции без изменения скорости и температуры потоков жидкостей.
Расчет предполагает задание нижеследующих параметров:
…- расход горячего теплоносителя;
…- температуру входа горячего теплоносителя;
…- температуру выхода горячего теплоносителя; …- давление горячего теплоносителя;
…- расход холодного теплоносителя;
…- температура холодного теплоносителя;
…- количество трубок в каждой секции;
…- наружный диаметр трубок;
…- внутренний диаметр трубок;
…- материал внутренних трубок;
…- внутренний диаметр большой трубы;
…- длина каждой секции;
57
… - схема движения теплоносителей (прямоток или противоток).
Требуется определить - площадь поверхности теплообмена и число секций.
1 шаг
Определяют тепловую производительность Q теплообменника:
= · · |
= = · · |
(6.1) |
Из уравнения (6.1) находят температуру голодного теплоносителя на выходе .
= + |
|
. |
(6.2) |
|
|||
Учитывая, что теплоемкость |
холодного теплоносителя зависит от |
температуры, её значение находят из справочника, в первом приближении,
при температуре |
холодного |
теплоносителя |
равной температуре |
на |
||
входе. Вычислив по формуле |
(6.2) значение |
, находят погрешность |
||||
определения . |
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
· 100 % |
|
(6.3) |
|
|
|
|
|
Задавшись погрешностью (например, в 4%), итерационное вычисление продолжают, пока погрешность не станет меньше 4%.
2 шаг
Из уравнения неразрывности потока определяют скорость движения горячего и холодного теплоносителей без применения
параллельной схемы: |
|
|
|
||
для горячего теплоносителя |
|
||||
w1 = |
|
|
, |
(6.4) |
|
|
|
||||
для холодного теплоносителя |
|
||||
w2 = |
|
, |
(6.5) |
||
|
где площади поперечного сечения для прохода теплоносителей определяют по формулам:
58
для горячего теплоносителя в тубах
= n· |
|
· |
(6.6) |
|
для холодного теплоносителя в межтрубном пространстве:
= ( |
|
- n· |
|
)· , |
(6.7) |
|
|
n – количество труб внутри большой трубы,
– число секций соединенных параллельно.
Сравнивают значения полученных скоростей с рекомендуемыми значениями и в случае превышения принимают решение о распараллеливании потока соответствующего теплоносителя.
3 шаг
Строят график изменения температур теплоносителей по длине поверхности теплообмена для нахождения среднелогарифмического
температурного напора |
. |
|
|
|
|
= |
|
|
. |
(6.8) |
|
|
|
||||
4 шаг |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Рассчитывают коэффициенты теплоотдачи с горячей |
и холодной |
сторон по соответствующим критериальным уравнениям, задаваясь в первом приближении значениями неизвестных температур поверхностей стенки и . При этом, при расчете числа Re в межтрубном пространстве за эквивалентный диаметр принимают диаметр, определенный по формуле
= . (6.9)
Коэффициент теплопередачи рассчитывают по формуле, как для плоской стенки:
k = |
|
. |
(6.10) |
|||||
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Далее определяют плотность теплового потока q и уточняют температуры поверхностей стенки:
59