3. Конструктивный асчет аппарата

Мы ограничимся рассмотрением только кожухотрубных водоводяных теплообменников, схемы одного из типов показана на рис, 3: 1 - корпус аппарата, 2 - трубные доски, 3 - трубы, 4 - патрубки греющей воды, 5 - патрубки нагреваемой воды, 6 - перегородка, обеспечивающая два хода нагреваемого теплоносителя.

Количество труб одноходового аппарата определяется по фор­муле:

(19)

Обычно длина труба одноходовом аппарате составляет L₁=2-5м.

Если расчетная длина труб (20)

окажется больше L₁, то аппарат выполняют многоходовым с числом ходов:

(21)

Для удобства ввода и вывода теплоносителей из трубного пространства число ходов Z выбирается четным.

В формуле (20) d_н, м - наружный диаметр труб (обычно коэффициент теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя оказывается меньшим).

Общее число труб для многоходового аппарата равно:

n = Zn₁ (22)

На практике нормальным размещением на трубной доске счи­тается расположение труб по вершинам равносторонних треугольников (рис. 4). Шаг труб s (расстояние между осями соседних труб), обычно выбирают равным (1,3-1,5)d_н, но не менее, чем (d_н+0,006) м.

Внутренний диаметр корпуса одноходового теплообменника равен (рис. 4):

Д = Д’ + d_н + 2к (23)

где Д’, м - диаметр, на котором располагается крайние трубки (величина Д/s приводится в таблице (4) приложения;

После расчета n₁ по формуле (19) изменением w₂ в рекомендуемых пределах добиваются, чтобы n₁ соответствовало ближайшему значению в таблице 4.

Внутренний диаметр корпуса многоходового аппарата опреде­ляется обычно графическим путем, исходя из условия размещения перегородок в крышках теплообменника.

Диаметры патрубков определяются из уравнения неразрывнос­ти потока:

, (24)

где w принимается равной скорости в канале соответствующего теплоносителя. Здесь f_п, м² - поперечное сечение патрубка,

d_п, м - диаметр патрубка.

Мощность N, Вт, затрачиваемая на прокачку теплоносителя через теплообменный аппарат, является важной характеристикой теплообменника:

(25)

где ∆p, Па- гидравлическое сопротивление аппарата;

η – КПД насоса, η=0,75-0,80

Основной вклад в гидравлическое сопротивление аппарата дают сопротивление трения ∆p_тр, обусловленное вязкостью жидкости при условии безотрывного течения и местные сопротивления ∆p_мест, связанные с различными местными препятствиями движению потока (сужения и расширения канала, повороты потока, обтекание препятствий):

∆p = ∆p_тр + ∆p_мест (26)

Сопротивление трения рассчитывается по формуле:

, (27)

где λ - коэффициент сопротивления трения;

l, м - полная длина канала.

При турбулентном режиме движения (Re_ж>10⁴) коэф­фициент трения определяется зависимостью:

(28)

выбирается при температуре стенки, остальные величины в (27) и (28) относятся к средней температуре жидкости.

Гидравлические местные сопротивления определяются по фор­ муле:

(29)

где ξ_i - коэффициент местного сопротивления.

Значения коэффициента местного сопротивления теплообменников приведены в таблице 3 приложения.

Методическая последовательность расчета одноходового кожухотрубного теплообменника.

1. Средняя температура теплоносителя 2:

, ºС

2. Теплофизические свойства теплоносителя 2 при (таб. 2):

Cp₂, кДж/(кг ºС); ρ₂, кг/м³; ν₂,м²/с; λ₂, Вт/(м ºС); Рr₂

3. Количество тепла, передаваемое от одного теплоносителя к другому:

Q = G₂Сp₂(t”₂-t’₂), Вт

4. Температура теплоносителя 1 на выходе от теплообменника:

, ºС

Задаемся Ср₁ и находим t”₁;

5. Средняя температура теплоносителя 1:

, ºС

6. Теплофизические свойства теплоносителя 1 при (табл. 2):

Cp₁, кДж/(кг ºС); ρ₁, кг/м³; ν₁,м²/с; λ₁, Вт/(м ºС); Рr₁

7. Большая разность температур теплоносителей:

_, ºС

8. Меньшая разность температур теплоносителей:

_, ºС

9. Средний температурный напор:

с

10

ли , тогда

если, тогда

10. Средняя скорость движения теплоносителя 2:

, м/с

10. Площадь внутреннего сечения поперечного сечения трубы:

f_тр=0,785 d_в², м²

10. Количество труб:

, шт

13. Действительное количество труб (принимают ближайшее к n₁^' значению из таб. 4.

14. Действительная скорость теплоносителя 2:

, м/с

14. Число Рейнольдса для теплоносителя 2:

14. Средняя температура стенки со стороны теплоносителя 2:

, ºС

14. Критерий Прандтля при (таб. 2):

14. Критерий Нуссельта:

, ,

14. Средний коэффициент теплоотдачи от стенки к теплоносителю 2:

, Вт/(м² ºС)

20.Шаг между трубами и трубной доской:

S = (1,3÷1,5)d_н, м; S ≥ d_н+0,006, м

21. Диаметр между осями крайних трубок:

Д'/s из таб. 4; Д', м

22. Диаметр трубной доски:

Д = Д' + d_н + 2К, м

22. Площадь сечения межтрубного пространства:

, м²

22. Смоченный периметр:

, м

25. Эквивалентный диаметр:

, м

26. Средняя скорость движения теплоносителя 1:

, м/с

26. Критерий Рейнольдса для теплоносителя 1:

28. Средняя температура стенки со стороны теплоносителя 1:

, ºС

29. Критерий Прандтля при (табл..2)

30. Критерий Нуссельта:

, , ,

30. Средний коэффициент теплоотдачи от стенки к теплоносителю 1:

, Вт/(м² ºС)

30. Средняя температура стенки:

, ºС

30. Коэффициент теплопроводности материала стенки:

λ_ст, Вт/(м ºС);

30. Термическое сопротивление теплоотдачи от греющего теплоносителя к стенке:

, м² ºС/ Вт

30. Термическое сопротивление стенки трубы:

, м² ºС/ Вт

30. Термическое сопротивление теплоотдачи от стенки к нагреваемому теплоносителю:

, м² ºС/ Вт

30. Средний коэффициент теплопередачи через чистую стенку:

К₀=(R₁ + R_ст + R₂)^-1, Вт/(м² ºС)

30. Средний коэффициент теплопередачи через загрязненную стенку:

К=φ К₀

30. Плотность теплового потока через поверхность теплообменника:

, Вт/м²

40. Уточнение температур и

, , ºС

В случае большого расхождения полученных в этом пункте значений со значениями пунктов 16 и 28 расчет величин α₁, α₂, λ_ст/δ_ст, К повторяют.

41. Поверхность нагрева теплообменника:

, м²

42. Общая длина труб теплообменника:

, м

42. Число ходов в теплообменнике:

Z=L/L_t

L₁ = (2-5), м; Z – четное.

В случае многоходового теплообменника провести графическую работу проработку размещения труб в ходах и размещения перегородок. По данным конструкторской проработки уточнить f_мт, w₁, d₁ и т.д.

42. Диаметр патрубков для входа и выхода теплоносителя 1:

, м

42. Диаметр патрубков для входа и выхода теплоносителя 2:

, м

42. Коэффициент сопротивления трения для теплоносителя 2:

42. Гидравлическое сопротивление трения:

Здесь Q₁, Вт - количество тепла, отданное горячим теплоносителем;

Q₂, Вт - количество тепла, воспринятое холодным теплоносителем;

, Па

48. Коэффициент местных сопротивлений (табл.3):

ξ_i,

48. Гидравлические местные сопротивления:

48. Полное гидравлическое сопротивление:

48. Мощность, затрачиваемая на проточу теплоносителя 2:

, Вт