Тепловой и гидравлический расчет кожухотрубных теплообменников. Учебное пособие

В нашем случае dнар = 25 мм, поэтому шаг отверстий s = 32 мм. ПоПриложению1,с.80,приZ =2иколичестветрубn=80числотруб

вдиагоналиnд=11.Внутреннийдиаметркорпусарассчитаемпофор-

муле(36),положиввнейk=6мм:D =(11–1)32+25+2·6=357мм.

Ближайшеестандартноезначение(см.табл.П.1.6)D =400мм=0,4м. Припродольномобтеканиипучкатрубскоростьтеплоносителя

вмежтрубном пространстве

режимдвиженияламинарный,чтонеэффективно.Дляувеличения скорости используем сегментные перегородки. При длине труб l =2мидиаметрекожухаD =400ммпотабл.П.1.6выбираемm =6 перегородок.

Площадь сечения одного хода в межтрубном пространстве

где zm = m + 1 = 7. При такой площади сечения скорость горячей воды

wм = SGмρ1 1 = 0,03575 968,6 = 0,145 м/с.

Число Рейнольдса

51

режим движения турбулентный. По формуле (П.2.6) определяем среднее число Нуссельта:

=0,24 104770,6 2,080,33 2,08 0,14 =75,65,

2,82

гдеPrw1 =2,82 –числоПрандтляпритемпературенаружнойстенки трубы Tw1 = 61,7 + 2 = 63,7 °С (см. табл. П.1.2).

Коэффициент теплоотдачи от горячей воды

= 117 Вт/(м2 · К) – теплопроводность латуни (см. табл. П.1.5); 2R3 = 1,2·10–4 м2 ·К/Вт – удельное термическое сопротивление загрязнений (см. рис. 10) при периодичности очистки 7000 ч. Поэтому

где ε∆T(P, R) – поправка на перекрестное движение теплоносителей, зависящая от функций

52

= 0,76 · 43,3 = 33 °C.

Таким образом,

F =1119300000033 = 25,4 м2 .

Действительная длина труб теплообменника

3.4.Гидравлический расчет

Вгидравлическомрасчетекожухотрубноговодо-водяноготепло- обменника важную роль играют m = 6 перегородок в межтрубном пространстве (см. табл. П.1.6). Упрощенная схема теплообменника

сперегородками представлена на рис.26.

h

l

γ

Рис. 26. Схема теплообменника с перегородками

53

В разделе 3.3 определено сечение потока по межтрубному пространству:Sм =0,0357м2.Сечениепотокавдольтрубприповороте между ходами оставляем таким же:

где γ – центральный угол сегмента перегородки, град; xпр – степень заполнения сечения трубами в продольном потоке,

диаметру трубы dнар; α = 60° – угол при вершине равностороннего треугольника; ψ – коэффициент заполнения трубной плиты,

Подстановка числовых значений в уравнения (40)–(42) дает

Уравнение (43) трансцендентное. Решим его графически, выполнив простые преобразования:

0,0357 =0,0423;

1−0,156

54

1+0,47sinγ = 2,97360γ °.

Нарис.27пересечениекривых y1 =1+0,47sinγ и y2 = 2,97360γ °

дает значение γ ≈ 132°.

Из рис. 27 следует, что ширина перегородки

Диаметры патрубков:

– для горячей воды

– холодной воды

Выберемстандартноезначение:d1 =250мм(DN250);d2 =200мм

(DN200).

Перейдем к гидравлическому расчету теплообменника. Поскольку оба теплоносителя являются капельными жидкостями,

Рис. 27. Графическое решение трансцендентного уравнения

55

потери давления в трактах складываются из потерь на трение и на местные сопротивления.

Гидравлические потери в трубном пучке ∆p2 = ∆p2т + ∆p2м. Длятурбулентноготечениявнутришероховатыхтрубиспользуем

формулу (П.3.9):

где K – абсолютная шероховатость труб, мм; для труб из латуни

K = 0,0015...0,0100 мм.

При K = 0,01 мм = 0,0001 м

где Σξ2м – сумма коэффициентов местных сопротивлений.

СучетомданныхПриложения1,с.84,находимкоэффициенты местных сопротивлений:

–навходеизводяногопатрубкавводянуюкамеруξкам.вх2 = 1,5;

–входе из водяной камеры в трубы ξ .вх 2 = 2,5;

–выходе из труб в водяную камеру ξ .вых 2 = 2,5;

–выходеизводянойкамерывводянойпатрубокξкам.вых2 = 1,5. Общие потери давления холодной воды на местных сопротив-

лениях

56

Общие потери давления холодной воды ∆p2 = ∆ p2т + ∆ p2м = = 1823 + 3025 = 4848 Па.

Мощность насоса для прокачки холодной воды

Притечениигорячейводывмежтрубномпространстве,имеющем сегментные перегородки, потери давления ∆p1 =∆p1поп + ∆p1прод + + ∆p1м, где ∆p1поп – потери давления при поперечном обтекании пучка труб; ∆p1прод – потери давления при продольном обтекании пучка труб; ∆p1м – потери давления на местных сопротивлениях.

При поперечном обтекании потери

где ξпоп – коэффициент сопротивления одного ряда труб в поперечном потоке (см. Приложение 1, с. 84).

Припродольномобтеканиипучкасперегородкамипотеридавления

Здесь продольная скорость воды в вырезах перегородок

гдеSc.в –площадьпроходногосечениямеждуперегородками;Sc – площадь сегмента, по которому проходит теплоноситель.

Как представлено на рис. 26, ширина сегмента h = D – b =

57

Сумма коэффициентов местных сопротивлений Σξ1м = ξ1вх + + mξ1пов + ξ1вых, где ξ1вх – коэффициент сопротивления на входе; ξ1пов –коэффициентсопротивлениянаповороте;ξ1вых – коэффициент сопротивления на выходе.

В соответствии с Приложением 1, с. 84, примем ξ1вх =1,5, ξ1пов = 2,5, ξ1вых = 2,5. Тогда потери давления горячей воды на

При прокачке горячей воды общие потери давления ∆p1 =

=∆p1поп +∆p1прод + ∆p1м = 204 + 198 + 193 = 595 Па.

Мощность насоса для прокачки горячей воды

3.5. Результаты расчета

Рассчитанныйвразделах3.3и3.4кожухотрубныйводо-водяной теплообменник имеет следующие конструктивные и режимные параметры:

–тепловая нагрузка Q = 1 МВт;

–площадь поверхности теплообмена F = 25,4 м2;

–число труб n = 80;

–число ходов z = 2;

58

–длина труб l = 4,05 м;

–диаметр кожуха D = 0,4 м;

–количество перегородок m = 6;

–ширина перегородки b = 0,281 м;

–перепад давления по холодной воде ∆p2 = 4848 Па;

–перепад давления по горячей воде ∆p1 = 595 Па;

–мощность для прокачки холодной воды N2 = 84 Вт;

–мощность для прокачки горячей воды N1 = 4,4 Вт;

–температура холодной воды на выходе T"2 = 50 °С;

–коэффициенттеплоотдачисостороныхолоднойводыα2факт =

=4690 Вт/(м2 ·K);

–коэффициент теплоотдачи со стороны горячей воды α1 =

=2050 Вт/(м2 ·K);

–коэффициент теплопередачи k = 1193 Вт/(м2 ·K);

–средний температурный напор ∆T* = 33 К.

ОценимэффективностьтеплообменникаNTU-методом,аимен- но водяные эквиваленты:

– для горячей воды W1 =G1cp1 =5 4206= 21 030;

Рис. 28. График эффективности кожухотрубного теплообменника

59

– холодной воды W2 =G2cp2 =12 4200=50 400.

Поскольку W1 < W2, обозначим W1 = Wmin;W2 = Wmax:

Число единиц переноса

Пографику(рис.28)находимε=66%;теплообменникна34% менее эффективен, чем идеальный (F →∞, ∆p1 = ∆p2 → 0).

4.ПАРОВОДЯНОЙ ПОДОГРЕВАТЕЛЬ

4.1.Схема и компоновка теплообменника

Вкожухотрубномпароводяномподогревателесетевойводыгорячий теплоноситель меняет свое состояние от перегретого пара до переохлажденной жидкости. Пар поступает в межтрубное пространство, а подогреваемая вода протекает по трубам.

Компоновкатрубногопучкатакаяже,какуводо-водяноготеп- лообменника, описанного в главе 3.

Рис. 29. Подогреватель сетевой воды

60