5. Пример расчета теплообменного аппарата

Произвести тепловой расчёт горизонтального секционного кожухотрубного водоводяного подогревателя, определить:

- тепловую мощность подогревателя;

- температуру греющей воды на выходе из подогревателя;

- коэффициент теплоотдачи от греющей воды к внутренней поверхности трубки;

• коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности трубки к нагреваемой воде;

• коэффициент теплопередачи от греющей воды к нагреваемой воде через разделяющую их поверхность латунных трубок;

• среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями;

• поверхность нагрева теплообменного аппарата;

Исходные данные: Горячий теплоноситель, протекает по латунным трубкам с наружным диаметром d₂ = 16 мм, толщина стенки трубки 1 мм.

Расход греющей воды G₁ = 15500 кг/час, температура греющей воды на входе в ТА t₁ = 80°С, расход нагреваемой воды G₂ = 18000 кг/час, температура нагреваемой воды на входе в ТА t₂ = 5°С, температура нагреваемой воды на выходе из ТА t₂´´=60°С, коэффициент теплопроводности материала стенок трубок l = 104,5 Вт/м°С, расчётная длина секции l = 4 м, внутренний диаметр корпуса секции D = 106 мм, число трубок в секции n = 19, d₂/d₁ = 16/14 мм. При расчете потерями теплоты с внешней поверхности корпуса теплообменника пренебречь.

Тепловая мощность подогревателя определяется из уравнения теплового баланса для нагреваемого теплоносителя:

Q=G₂C_р2(t₂¢¢ – t₂¢).

Здесь С_р2=4,174 кДж/кг°С, теплоемкость нагреваемой воды, определяется при °С, из таблиц С.Л. Ривкин, А. А. Александрова «Термодинамические свойства воды и водяного пара»

кВт

Температура греющей воды на выходе из ТА t¢¢₁ определяется из уравнения теплового баланса для греющей воды:

,

отсюда

°С,

здесь С_р1=4,174 кДж/кг°С определяется при средней температуре греющей воды ~50°С

Определение коэффициента теплоотдачи a₁ от греющей воды к внутренней поверхности трубок.

Теплофизические характеристики горячей воды определим при средней температуре методом последовательных приближений [2].

°С,

плотность горячей воды кг/м³;

коэффициент кинематической вязкости м²/с;

коэффициент теплопроводности воды Вт/м°С;

критерий Прандтля горячей воды при t₁, .

Скорость движения греющей воды внутри латунных трубок

м/с.

Число Рейнольдса

.

Если , то режим движения жидкости турбулентный

Для турбулентного режима движения теплоносителей справедливо следующее критериальное уравнение

здесь – число Нуссельта горячей воды, – число Прандтля воды при средней температуре стенки t_ст: (найден из табл. 2 данного м.у.)

=0,5(48,1+32,5)=40,35°С

Коэффициент теплоотдачи от горячей воды к внутренней поверхности латунных трубок определяется из условия:

,

здесь l – определяющий размер, в нашем случае это внутренний диаметр латунных трубок

Вт/м²°С.

Определение коэффициента теплоотдачи от внешней поверхности латунных трубок к нагреваемой воде.

Определим теплофизические характеристики нагреваемой воды при средней температуре :

°С,

плотность воды r₂=994,8 кг/м³;

коэффициент кинематической вязкости n₂=0,768×10^-6 м²/с;

коэффициент теплопроводности воды l₂=0,628 Вт/м°С;

критерий Прандтля Pr₂=5,14.

Эквивалентный диаметр сечения межтрубного пространства

,

где F – площадь межтрубного пространства, внутри которого протекает нагреваемая вода:

;

P=pD+npd₂,

где P – смоченный периметр канала, P=pD+npd₂;

d₂ – внешний диаметр латунных трубок.

мм.

Скорость движения нагреваемой воды

м/с;

м².

Число Рейнольдса для нагреваемой воды

.

Определим критерий Нуссельта для нагреваемой воды

.

Коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности латунных трубок к нагреваемой воде

Вт/м²°С.

Коэффициент теплопередачи от горячей воды к нагреваемой воде через разделяющую их поверхность теплообмена определим по уравнению (3.22), т.к.

Вт/м²°С.

Среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями для случая противоточной схемы включения:

.

Поверхность теплообмена ТА

м².

Поверхность нагрева одной секции ТО

F_секц=n·p·d_ср·l=19×3,14×15×10^-3×4=3,58 м².

Число секций в теплообменнике

.

Принимаем для ТА 8 секций. Уточним длину секции

F=N×n×p×d_cр×l;

м.

Уточним температуры поверхностей латунных трубок

Q=a₁(t₁– t_cт1)pd₁nlN

,

.

Совпадение с принятой t_c удовлетворительное.