Расчет кожухотрубного теплообменного аппарата

Определим энтальпию греющего пара на входе в теплообменник и конденсата на выходе из теплообменника. Данные получаем по справочнику теплофизических свойств воды и водяного пара
h1” = 2608,9 кДж/кг; h1’ = 251,4 кДж/кг; r = 2357,5 кДж/кг
Энтальпия нагреваемой воды на входе в теплообменник
h2’ = 42,1 кДж/кг
Определение количества трубок n и числа ходов по нагреваемой воде Z
Конструкция, принцип действия и алгоритм расчета кожухотрубного теплообменного аппарата приведены ниже.
Общее количество трубок определим по табл. 2.1. Для этого из формулы (2.3) найдем количество труб в диагонали n д:
Шаг труб выбирают из соотношения s = (1,3÷1,5) dнар. Принимаем s = 1,5dнар = 37,5 мм Кольцевой зазор между крайними трубами и корпусом должен быть не менее 6 мм (k ≥ 6 мм). Принимаем 12,5 мм.
Число труб в диагонали определяем конструктивно. Схема расположения труб и перегородки приведены на рис.1.
Рис.1. Компоновка трубного пучка кожухотрубного теплообменника
Исходя из принятых размеров и шагов количество параллельных трубок по ходу воды составляет n =57 шт. Количество ходов по воде принимаем Z=2.
Исходя из этого определяем сечение трубок для прохода воды
f2 = d2 n/4 = 3.14*0.0252*57/4 = 0,028 м2
Площадь поверхности теплообмена трубок будет равна
F = 2 d l n Z = 2*3.14*(0.025+0,019)*2,5*57 = 19,24 м2
Тепловой поверочный расчет
Расчет ведем методом последовательных приближений.
Для расчета воспользуемся алгоритмом, основанным на понятии эффективность теплообменного аппарата.
Первое приближение Т2'' = 30 С
1. В первом приближении принимаем температуру холодного теплоносителя на выходе из теплообменника T2'' = 30 С. Тогда средняя температура воды равна:
Т2 = (Т2’+T2”)/2 = (10+30)/2 = 20 C
2. Температура горячего теплоносителя на входе и на выходе равна температуре насыщения при заданном давлении, т.к. происходит конденсация водяного пара, а конденсат удаляется при температуре насыщения.
3. По табл. 1 [1] при p = 0,2 бар находим температуру насыщения греющего пара, равная Tн = 60 С.
4. Определяем коэффициенты теплоотдачи α1, α2 и коэффициент теплопередачи k.
Основная сложность определения коэффициентов теплоотдачи α1 и α2 заключается в том, что в критериальные формулы входят величины, зависящие от температур наружной и внутренней поверхностей стенок Тw1 и Тw2, поэтому расчёт ведут методом последовательных приближений по одному из алгоритмов, описанных в разделе 1.5 [2].
Выполним расчет по второму алгоритму.
Для этого:
- Задаем коэффициенты теплоотдачи 1 и 2, используя рекомендации, приведенные в разделе 1.5 [2].
Примем для пленочной конденсации водяного пара 1 = 10000 Вт/(м2К), а для нагрева воды 2 = 1000 Вт/(м2К).
- В первом приближении коэффициент теплопроводности материала трубок – латунь, найдем из табл. 1.11 [1] λw = 102,8 Вт/(м·К) при средней температуре горячего и холодного теплоносителей (T1 T2) / 2 (60 20) / 2 40 С.
Толщина стенки трубы равна: = 0,5( dнар – dвн) = 0,5(0,025-0,019) = 0,003 м.
- Находим температуры стенок Тw1 и Тw2 по формулам:
Tw1= T1- T1-T2Rt,1+Rt,2+Rt,3Rt,1=60-60-20110000+0.003102,8+11000110000=56,46 C
Tw2= Tw1- T1-Tw1Rt,1Rt,2=56,46-(60-56,46)0,003*10000102,8=55,42 C
- По критериальным уравнениям определяем коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителей 1 и 2.
При Т1 = Тн = 60 С скрытая теплота парообразования r = 2357,5 кДж/кг.
По табл. 1.77 [1] при Т1 = Тн = 60 С находим физические свойства конденсатной плёнки: пл = 983,2 кг/м3; λпл = 0,659 Вт/(м К); µпл = 46910-6 Пас; пл= 662,210-4 Н/м.
При пленочной конденсации насыщенного пара и ламинарном стекании пленки конденсата под действием силы тяжести коэффициент теплоотдачи рассчитывают по формуле [2,3]:
α1=а4grρпл2λпл3μпл(Tн-Tw)b
где a = 0,943, b = H – для вертикальной поверхности.
α1=0,94349,81*2357,2*983,220,659346910-660-56,45*2,5=1051Втм2K
Находим коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении воды в прямых гладких трубах 2 .
По табл. 1.74 [1] при определяющей температуре Т0 = Т2 = 20 С находим физические свойства воды:
λ = 0,599 Вт/(м К); = 1,00610-6 м2/с; Pr = 7,02, а по таблице 1.77 [1] при температуре стенки Tw2 = 55,42 С Prw = 3,176.
Далее рассчитываем критерий Рейнольдса и определяем режим течения.
Re= w2dвнν= 2*0,0191,006*10-6=37773>104
Поскольку критерий Рейнольдса больше 10000, то режим течения воды турбулентный.
По критериальной формуле для турбулентного режима течения в трубах и каналах рассчитываем безразмерный коэффициент теплоотдачи
Nu=0.021Re0.8Pr0.43PrPrw0.25=0,021*377730,8*7,020,437,023,1760,25=272
Находим коэффициент теплоотдачи 2 по формуле
α2=Nuλdвн= 272*0,5990,019=8564Втм2К
Расхождение между принятым и полученным значениями коэффициентов теплоотдачи составляет:
Δ1= 10000-10511051100%= 852 %
Δ1= 1000-85648564100%= 88 %
Так как расхождение больше 5 %, то расчет повторяем с пункта 4 для новых значений 1 и 2.
Следующие результаты расчетов в процессе итераций занесем в таблицу (табл.1). Заметим, что в формуле для расчета 1 изменяется только температура стенки Тw1, а в формулах для расчета 2 – критерий Прандтля Prw.
Из табл. 1.11 [1] при средней температуре стенки Тw = (Тw1 + Тw2)/2 = (56,46+55,42)/2 = 55,94 С найдем коэффициент теплопроводности латуни λw = 103,9 Вт/(м К).
Таблица 1
№ итерации 0 1 2 3 4 5
w, Вт/(м К) - 103,9 101,7 101,6 101,62 101,63
Тw1, С - 56,5 25,33 23,64 23,82 23,61
Тw2, С - 55,9 24,25 23,00 23,20 22,98
Prw
- 3,207 6,35 6,54 6,46 6,49
1, Вт/(м2К) 10000 1050 594 587 588 587
2, Вт/(м2К) 1000 8564 7202 6637 7171 7163
1, % - 852 77 1,2 0,13 0,15
2, % - 88 19 8,52 7,45 0,12
В результатке итерационного процесса получаем
1 = 587 Вт/(м2К);
2 = 7163 Вт/(м2К)
Отношение наружного диаметра стенки трубы к внутреннему диаметру меньше двух (dнар/dвн < 2), поэтому коэффициент теплопередачи рассчитываем по формуле (1.28) для плоской стенки. При этом термическим сопротивлением загрязнений пренебрегаем Rзаг = 0. Получаем
k= 11α1+δλw+1α2+Rзаг= 11587+0,003103,9+17163=534 Вт/(м2 К)
Температуру воды на выходе из теплообменника Т2” найдем по формуле
T2"= T1-T1-T2'e-kFW2
По табл. 1.74 [1] при средней температуре холодного теплоносителя Т2 = 20 С находим плотность воды 2 = 998,2 кг/м3 и удельную массовую теплоемкость cp2 = 4,183 кДж/(кг·К).
При течении воды в трубках площадь поперечного сечения рассчитаем по формуле
f2 = dвн2 n/4 = 3,14*0,0192*114/8 = 0,0162 м2
Принимаем скорость движения воды в трубках равной wв = 2,0 м/с
Расход холодного теплоносителя G2 найдем по уравнению неразрывности:
G2 = 2 f2 w2 = 998,2*0,0162*2,0 = 32,34 кг/с
Площадь поверхности теплообмена кожухотурбного теплообменного аппарата рассчитаем по формуле:
Fдейст = d l n Z = 3,14*(0,025+0,019)*2,5*114/2 = 19,68 м2
Водяной эквивалент холодного теплоносителя равен:
W2 = G2Cp2 = 32,34*4183 = 135285 Вт/К
Рассчитываем температуру воды на выходе из теплообменника Т2'':
T2"= T1-T1-T2'e-kFW2=60-60-20*е-534*19,68135285=23 С
Расхождение между принятым и полученным значениями температуры составляет
Δ= 30-2323100%= 30,4 %
Так как расхождение больше 5 %, то расчет повторяем с пункта 4 с вновь рассчитанным значением температуры воды на выходе из теплообменника Т2''.
Второе приближение Т2'' = 23,0 С
Средняя температура воды равна
T2= T2'+T2"2= 10+232=16,5 C
Определяем коэффициенты теплоотдачи α1, α2 и коэффициент теплопередачи k.
Примем 1 = 587 Вт/(м2 К), 2 = 7163 Вт/(м2 К).
Из табл. 1.11 [1] при средней температуре стенки Тw = (Тw1 + Тw2)/2 = (23,61 +22,98)/2 = 23,3 С найдем коэффициент теплопроводности латуни λw = 101,63 Вт/(м К).
Находим температуры стенок Тw1 и Тw2
Tw1= T1- T1-T2Rt,1+Rt,2+Rt,3Rt,1=60-60-16,51587+0.003101,63+171631587=20,43 C
Tw2= Tw1- T1-Tw1Rt,1Rt,2=20,43-60-20,430,003*587101,63=19,74 C
Рассчитываем коэффициенты теплоотдачи со стороны горячего и холодного теплоносителей 1 и 2.
Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара находим 1 по формуле
α1=0,94349,81*2357,2*983,220,659346910-660-19,74*2,5=572Втм2K
Рассчитываем коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении текучей среды в прямых гладких трубах 2
По табл