Рассчитать теплообменник для нагрева воздуха водой из водогрейного котла-утилизатора

1.Средняя температура воды
t1=t1+t12=130+702=100℃
2. Теплофизические свойства воды при t1:
1=958,4 кг/м3 ; СР1 = 4220 Дж/(кг К), λ1= 0,683 Вт/(м К), ν1=0,295 10-6 м2/с,
Pr1=1,75.
3.Далее определим количество труб в теплообменнике и соответственно расход воды G1 по известной скорости w1= 1 м/с , диаметру труб, шага труб и живому сечению f2=2 м2 в межтрубном пространстве .
Для цилиндрического аппарата живое сечение межтрубного пространства составляет
f=πDкорп24-n πdн 24=2 м2
Внутренний диаметр корпуса многоходового аппарата определяется по формуле :
Dкорп =1,1Sn
где S= S1 = S2=1,5D=1,540= 60 мм- шаг труб;
n- число труб ; =0,6…0,8- коэффициент заполнения трубной решетки.
Таким образом,
f=π1,1S 24n-n πD 24=π1,1S 24- π dн 24∙n=2 м2
π1,1S 24- πD 24=3,141,10,06 240,6- 3,140,02 24=0,00539
Общее число труб не менее 2/0,00539=371 шт
При этом внутренний диаметр корпуса многоходового аппарата
Dкорп =1,10,063710,6=1641мм1,64 м
Примем число ходов по горячей воде равным Z1=6 .
Тогда число трубок на один ход
m=n/4=371/6=61,83 62 трубы
Массовый расход воды через трубы :
G1=1 w1 (dв2/4)n=958,41(3,140,0182/4)62=15,11 кг/с
5. Тепловая мощность аппарата
Q= G1 СР1(t1-t1)=15,114,22(130-70)=3827 кВт
6.Средняя температура воздуха
t2=t2+t22=15+-102=2,5℃
7. Теплофизические свойства воздуха при t2=2,5℃.
2=1,282 кг/м3 ; СР2=1,005 кДж/(кг К), λ2= 0,0246 Вт/(м К), ν 2=13,5 10-6 м2/с,
Pr2=0,7065.
8 . Массовый расход воздуха определим из уравнения теплового баланса.
Q= G2 СР2(t2-t2)=3827 кВт
Отсюда G2=QCp2(t2-t2) =38271,005(15--10)=152,3 кг/с
Скорость воздуха в межтрубном пространстве для аппарата одноходового по нагреваемому воздуху.
w 2=G2ρ2f2=152,31,282∙2=59,4 м/с
Для обеспечения допустимой скорости воздуха w215 м/с примем число ходов по нагреваемому воздуху Z2=4.
Расход воздуха на 1ход G'2=G2Z2=152,34=38,1 м/c
Скорость воздуха в межтрубном пространстве
w'2=G2ρ2f2=38,11,282∙2=14,85 м/с
9. Определим поверхность теплообмена аппарата .
Из уравнения Q  =  К ∙F ∙Δt   F =Q  К ∙Δt
где t- средний температурный напор ; К- коэффициент теплопередачи.
t- средний температурный напор, зависит от схемы движения теплоносителей в аппарате, ℃.
При противоточной схеме (рис.7)
-115570165735t1'
t1'
2115820563880t1''
0t1''
9111200591t2'
00t2'
17581491327813t2''
00t2''
-1181109906000-419100649605∆tб
0∆tб
2981325139446026670001203960-352425937260-6667579438528956001108710∆tм
0∆tм
276225-120015t
t
Рис.7.Изменение температур по длине воздухоподогревателя
t1' и t1''-начальная и конечная температура воды, ℃;
t2'' и t2'- начальная и конечная температура воздуха, ℃.
∆tб= t1' -t2' =130 –(-10)=140°С - большая разность температур
∆tм= t1-t2 =70-15=55°С - меньшая разность температур
∆tб/∆tм=140/55=2,551,7
Среднелогарифмический температурный напор:
Δt=∆tб-∆tмln∆tб∆tм=140-55ln14055=90,98 °С
Коэффициент теплопередачи Кх, отнесенный к внутренней (неоребренной) поверхности, равен :
1Кх=1α1 ψор+δст+1α2
где 1- коэффициент теплоотдачи горячей воды;
ст=0,5(27-25)10-3=1 10-3 м-толщина разделительной стенки;
=40 Вт/(м K)- коэффициент теплопроводности стали
2 - коэффициент теплоотдачи воздуха без учета оребрения;
ψ-степень оребрения ;
ор- термическая эффективность оребренной стенки.
Определим коэффициент теплоотдачи воды от горячей воды к гладкой стенке трубы 1.
Число Рейнольдса для воды:
Re1=w1 dвн1=10,0180,29510-6=61017
Число Нуссельта при турбулентном течении
Nu1=0,023* Re10,8 Pr1 0,4 =0,023610170,81,750,4=193,78
Коэффициент теплоотдачи со стороны воды
α1=Nu1 1dвн=193,780,683 0,018=7353 Вт/(м2 К)
Определим коэффициент теплоотдачи от наружной стенки трубы к нагреваемому воздуху без учета оребрения 2.
Для этого определим эквивалентный диаметр dэ межтрубного пространства.
При движении теплоносителя в межтрубном пространстве dэ=4 Rг,
где Rг – гидравлический радиус, определяемый как

где χ – смоченный периметр площади живого сечения межтрубного пространства, м: Z2
Z2- число ходов по межтрубному пространству
Fмж тр=2 м2 ; χ =3,14(1,64+3710,02)=28,45*4=113,8;
Rг=2/113,8=0,0176м.
dэ=0,01764=0,07 м
Число Рейнольдса для воздуха:
Re2=w2 dэ2 =14,850,0713,510-6 =77000(103…2105)
S1 = S2
Коэффициент теплоотдачи 2 определяется формулой :
Nu2=0,35 Re20,6Pr20,36(Pr2 / Prс)0,25 (S1 / S2)0,2 - Авчухов, формула 6.43
S1 / S2=1 ; поправка (Pr2 / Prс) для воздуха не имеет смысла
Nu2=0,35 770000,60,70650,36=271,6
Коэффициент теплоотдачи со стороны воздуха
α2=Nu2 2dэ=271,60,0246 0,07=95,44 Вт/(м2 К)
По справочным данным , для труб со спиральным оребрением степень оребрения ψ=21; ор=0,65 -термическая эффективность оребренной стенки.

Коэффициент теплопередачи К
1Кх=17353 ψор+δст+1α2
1К =17353*21*0,65 +0,0010,0246+195,44=0,05114 м2К/ВтК=19,55 Вт/м2К
Поверхность теплообмена
F =Q  К ∙Δt=3827000  19,55 90,98=2152 м2
На 1 м длины теплообменных трубок приходится:
-примем шаг ребер b= 3мм
-количество ребер на 1 м трубы nр=1/(b+)=1000/3,3=303 шт
-суммарная длина интервалов между ребрами
1000-0,3303=909,1 мм
-поверхность теплообмена между ребрами
fмр=0,9091=2,855 м2
-поверхность теплообмена от одного ребра ( с двух сторон)
f р=2(D2-dн2)/4=2*3,14*(0,042-0,022)/4=0,0019 м2
-от всех ребер f р=0,0019*303=0,571 м2
Суммарная поверхность теплообмена от 1 м одной трубы
f= f р+ fмр=0,571+2,855=3,426 м2
От трубного пучка длиной 1 м
fпучка= fn=3,426*371=1271 м2
Длина труб аппарата L = F/ fпучка=2152/1271=1,691,7 м
Таким образом, получаем аппарат :
Dкорп=1640 мм, n=371 труб ; L =1,7 м