Выполнить конструктивный тепловой и гидродинамический расчет теплообменного аппарата

Уравнение теплового баланса при изменении агрегатного состояния горячего теплоносителя (конденсация):
Q=Gп∙rп=Gв∙cрв∙(tвк-tвн)
Определим среднюю температуру нагреваемой воды:
tвср=tвн+tвк2=4+722=762=38 ℃
По справочным таблицам «Физические свойства воды на линии насыщения» определим теплоемкость воды при средней температуре 38 ºC:
плотность ρ=992,9 кг/м3;
теплоемкость воды cрв=4178,4 Дж/(кг·К).
При давлении 8 бар температура насыщенного пара составляет 170 °С.
Следовательно, пар не перегрет и происходит конденсация пара на горизонтальных трубах.
Обычно в качестве горячего теплоносителя используется насыщенный водяной пар, так как расход перегретого водяного пара вследствие его малой теплоемкости высок, а коэффициент теплоотдачи от перегретого пара к теплообменной поверхности мал.
Количество теплоты, получаемое водой:
Q=Gв∙cрв∙(tвк-tвн)
Q=0,69∙4178,4∙72-4=196055,2 Вт≈196 кВт
Определим средний температурный напор в зависимости от схемы движения теплоносителей.
∆t=∆tб-∆tмln∆tб∆tм=(135-4)-(135-72)ln135-4135-72=92,8882≈93 ℃
Определим коэффициент теплопередачи:
К=11α1+δcmλcm+1α2
где α1 – коэффициент теплоотдачи от первого теплоносителя (охлаждаемой жидкости) к стенке;
δcm – толщина стенки трубки, δcm=0,004 м (принимаем dн=40 мм, dвн=32 мм),
δcm=dн-dвн2=0,040-0,0322=0,004 м
λcm- коэффициент теплопроводности материала трубок (сталь), λcm=46,5 Вт/(м·К);
α2 – коэффициент теплоотдачи от стенки ко второму теплоносителю (нагреваемой жидкости) к стенке.
При конденсации пара на горизонтальной поверхности (наружной поверхности горизонтальной трубы) коэффициент α1 можно вычислить по формулам:
α1=1,28∙4r∙ρ2∙λ3μ∙l∙∆t=1,28∙A∙rl∙∆t0,25=2∙Reн∆tн∙π∙dн∙B
где Reн – приведенный критерий Рейнольдса вычисляется по критериальной зависимости:
Reн=3,5∙zн0,75∙Prж/Prст0.25
где zн – приведенная длина поверхности,
zн=∆tн∙π∙dн2∙А; ∆tн=tн-tст 1
Температура стенки со стороны пара в первом приближении:
tст 1=tн-∆t2=135-932=135-46,5=88,5 ℃
∆tн=135-88,5=46,5
Значения комплексов A и B в зависимости от tн ,берем из справочных таблиц (стр.26, [2]):
А=88,075 1/(м·°С), В=8,9·10-3 м
zн=46,5∙3,14∙0,042∙88,075=257,1966≈257,2
Значения критериев Прандтля Prж и Prст берем из справочных таблиц соответственно при температурах tн и tст 1 (таблица 12, [2]).
Prж=1,31
Prст 1=1,989
Reн=3,5∙257,20,75∙1,311,9890.25=202,5
α1=2∙202,546,5∙3,14∙0,04∙8,9∙10-3=7791,544≈7792 Втм2⋅0С
Коэффициент теплоотдачи от стенки к движущейся жидкости рассчитывается по формуле:
α2=Nuж2⋅λж2d2
где - число Нуссельта, вычисляется по критериальным зависимостям в зависимости от значения
λж2 - коэффициент теплопроводности жидкого теплоносителя,
В критериальных зависимостях и определяется при температуре:
tж2=tн-Δtср
tж2=135-93=42℃
λж2=63,76⋅10-2Вт/(м⋅℃)
а - при температуре
tc2=tc1-Δtc=88,5-31=57,5 ℃
где перепад температур в стенке
Δtc=qn⋅δcλc=α1⋅(tн-tc1)⋅δсλс
Δtc=7791,544⋅(135-88,5)⋅0,00446,5=31,16617≈31 ℃
Критерий Рейнольдса для воды:
Reж2=w⋅dвнν
где ν=0,6384⋅10-6м2с - кинематическая вязкость воды при 42 °С.
Скорость движения жидкости в трубе определяется по формуле:
wв=4∙Gвπ∙ρ∙dвн2=4∙0,693,14∙992,9∙0,0322=0,86451≈0,865 м/с
Reж2=w⋅dвнν=0,865⋅0,0320,6384⋅10-6=43334,23
Nuж2=0,021⋅Reж20,8⋅Prж20,43⋅(Prж2Prc2)0,25
Prж2=4,156 Prс2=3,12
Nuж2=0,021⋅43334,230,8⋅4,1560,43⋅4,1563,120,25=213,23
α2=Nuж2⋅λж2dн=213,23⋅63,76⋅10-20,04=3398,8592≈3399Втм2⋅0С
К=117792+0,00446,5+13399=10,000509≈1966,25 Вт/(м2∙К)
Выполним проверку:
α1∙(tпн-tст 1)=K∙Δtср
7792∙(135-88,5)=1966,25∙93
362328=182861,25
Так как отличие существенное, зададим новое значение tст 1.
tст 1=tн-∆t4=135-934=135-23,25=111,75 ℃
∆tн=135-111,75=23,25
zн=23,25∙3,14∙0,042∙88,075=128,5983≈128,6
Prст 1=1,5773
Reн=3,5∙128,60,75∙1,311,57730.25=111,59502≈111,6
α1=2∙111,623,25∙3,14∙0,04∙8,9∙10-3=8587,99112≈8587,99 Втм2⋅0С
Δtc=8587,99⋅(135-111,75)⋅0,00446,5=17,17598≈17 ℃
tc2=111,75-17=94,75 ℃
Prс2=1,855
Nuж2=0,021⋅43334,230,8⋅4,1560,43⋅4,1561,8550,25=239,06
α2=Nuж2⋅λж2dн=239,06⋅63,76⋅10-20,04≈3810,62Втм2⋅0С
К=118587,99+0,00446,5+13810,67=10,00046489≈2151 Вт/(м2∙К)
Выполним проверку:
α1∙(tпн-tст 1)=K∙Δtср
8757,99∙(135-111,75)=2151∙93
203623=200043
Погрешность равна 203623-200043=3580, что составляет 1,8 %, т.е