Определить основные размеры (поверхность нагрева, число и длину трубок, диаметр кожуха) и подобрать по каталогу вертикальный бойлер для приготовления горячей воды
Расход нагреваемой воды Q = 30 м3/час. Температура воды: начальная
t1 = 10 оС, конечная t2 =60 оС. Нагревающим агентом является насыщенный водяной пар с давлением Р = 2 ата.
Ответ
Бойлер, который удовлетворяет данным условиям: Вертикальный бойлер, одноходовой, длинна трубок 3 метра, количество трубок 61, диаметр трубок 25x2, диаметр кожуха 325мм.
Решение
Температура конденсации насыщенного водяного пара при Р=2 ата,
ts = 119,6 оС.
Температурная схема процесса:
Δtб=ts-t1, ℃
Δtб=119,6-10=109,6 ℃
Δtм=ts-t2, ℃
Δtм=119,6-60=59,6 ℃
∆tср=0,5*∆tб+∆tм, ℃
Δtср=0,5*109,6+59,6=84,6 ℃
Средняя температура воды
tв.ср=0,5*t1+t2, ℃
tв.ср=0,5*10+60=35 ℃
Для воды при температуре tв.ср = 35 оС, плотность ρв= 994 кг/м3; динамическая вязкость μв= 0,7225*10-3 Па*с; коэффициент теплопроводности λв= 0,627 Вт/(м*К); теплоемкость Срв= 4174 Дж/(кг*К); критерий Прандтля Prв=4,83.
Объём расходуемой воды:
V=Q3600, м3/с
V=303600=0,0083 м3/с
Расход воды:
Gв = V*ρв, кг/с
Gв=0,0083*994=8,25 кг/с
Расход теплоты на нагрев воды:
Q = Gв*Срв*t2 - t1, Вт
Q=8,25*4174*60-10=1721775 Вт
Расход сухого греющего пара с учетом 5% потерь теплоты:
Gп=1,05*Qr, кг/с
где r = 2208 кДж/кг - удельная теплота конденсации водяного пара.
Gп=1,05*17217752208000=0,82 кг/с
Ориентировочно определяем максимальную величину площади теплопередачи, полагая Кмин=800 Вт/(м2*К).
Fмакс=QKмин*∆tср, м2
Fмакс=1721775800*84,6=25,43 м2
Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать теплообменный аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителя (воды) в трубах.
В теплообменных трубах диаметром 252 мм кожухотрубчатых теплообменных аппаратов по ГОСТ 15122-79 скорость течения воды при Re>104 должна быть более:
ωв,=Reв*μвdвн*ρв, м/с
ωв,=104*0,7225*10-30,021*994=0,346 м/с
Число труб, обеспечивающих объёмный расход воды при Re>104:
n,=V0,785*dвн2*ωв,
n,=0,00830,785*0,0212*0,346=69
Условиям n < 69 и F<25,43 м2 удовлетворяет одноходовый теплообменник диаметром кожуха 325 мм с числом труб 25x2 мм n = 61.
Рис
. 2. Схема вертикального бойлера
Скорость и критерий Рейнольдса для воды:
ωв=VSтр,мс
где Sтр=2,1*10-2 м2 - проходное сечение трубного пространства
ωв=0,00832,1*10-2=0,4 м/с
Reв=ωв*dвн*ρвμв
Reв=0,4*0,021*9940,7225*10-3=11556,5
Расчетное уравнение Нуссельта:
Nuв=0,021*Reв0,8*Prв0,43*PrвPrст.в0,25*εl
где εl - коэффициент, учитывающий влияние отношения длины трубы к ее диаметру; Prв и Prст.в - критерий Прандтля при температуре среды и при температуре стенки.
Так как температура стенки tст.в нам неизвестна, задаемся значением множителя =1,18 с последующей проверкой.
Nuв=0,021*11556,50,8*4,830,43*1,18*1=86,7
Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к воде:
αв=Nuв*λвdвн, Вт/(м2*К)
αв=86,7*0,6270,021=2588,6 Вт/(м2*К)
Находим коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к поверхности вертикальных труб по формуле:
αконд=2,04*At4H*∆tконд
где Аt - функция для воды; Н - высота труб, м; Δtконд - разность между температурой конденсации пара и температурой стенки со стороны пара, оС.
При ts = 119,6 оС Аt = 7234,4. Принимаем Н = 3 м. Получим:
αконд=2,04*7234,443*∆tконд=11213,8*∆tконд-0,25
Коэффициент теплопередачи К рассчитываем методом последовательных приближений.
Для установившегося процесса передачи тепла справедливо уравнение:
q=αконд*∆tконд=∆tстΣrст=αв*∆tв
где q - удельный тепловой поток, Вт/м2; Δtст - перепад температур на стенке, °С; Σrст - суммарное термическое сопротивление слоев загрязнений и стенки, м2·К/Вт; Δtв - разность между температурой стенки со стороны воды и температурой воды, °С.
Принимаем термическое сопротивление загрязнений со стороны воды
rз,в = 1/2900 м2·К/Вт; со стороны пара rз, конд = 1/5800 м2*К/Вт
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24.
