Выполнить тепловой расчет пароводяного кожухотрубного теплообменника

Определим количество теплоты, передаваемое от горячего теплоносителя к холодному теплоносителю по уравнению теплового баланса для холодного теплоносителя:
Q=m2·c2·t2''-t2';Вт
где:
c2 – теплоемкость нагреваемого теплоносителя (воды) при средней температуре, кДж/кг·К
m2 –массовый расход нагреваемого теплоносителя (воды), кг/с
Переведем значение расхода воды из т/ч в кг/с:
m2=G2·10003600=90·10003600=25 кг/с
Определим среднюю температуру воды по формуле:
t2=t2'+t2''2;℃
t2=10+802=45 ℃
По таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара определим теплоемкость воды при средней температуре t2=45℃:
с2=4180 Дж/кг·К
Количество передаваемой теплоты:
Q=25·4180·80-10=7315·103 Вт
Определим среднюю температуру стенки трубы по формуле:
tc=0,5·tн+t2; ℃
где:
tн – температура насыщения, определяемая в зависимости от заданного давления, по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара при Pн=0,419 МПа tн=145,3 ℃
tc=0,5·145,3+45=95,15℃
Определим среднюю температуру пленки конденсата по формуле:
tпл=0,5·tн+tc;℃
tпл=0,5·145,3+95,15=120,2 ℃
Определим физические параметры пленки конденсата по таблицам термодинамических свойств воды и водяного пара при средней температуре tпл=120,2℃:
Плотность ρ=942,51 кг/м3
Коэффициент кинематической вязкости ν=0,252·10-6 м2/с
Коэффициент теплопроводности λ=683·10-3 Вт/(м·К)
Определим скрытую теплоту парообразования по температуре tн=145,30С:
r=2128,2 кДж/кг=2128,2·103 Дж/кг
Определим коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на вертикальной трубе по формуле:
α1=1,154λ3·g·ρ·rν·1h·Δt;Втм2·К
где:
Δt – разница температуры насыщения и температуры стенки:
Δt=tн-tc=145,3-95,15=50,15℃
h – высота трубы, в первом приближении h=2 м
g=9,81 м/с2 – ускорение свободного падения
α1=1,154(683·10-3)3·9,81·942,51·2128,2·1030,252·10-6·12·50,15=4563,83 Втм2·К
Определим число Нуссельта жидкости их критериального уравнения для турбулентного режима движения воды в трубках:
Nuж=0,021Reж0,8∙Prж0.43PrжPrст0.25∙ξl
где:
ξl – поправочный коэффициент, при l/d≥50 ξl=1
Prж – число Прандтля для воды при средней температуре t2=450C Prж=3,94
Prст – число Прандтля для воды при температуре стенки tc=95,15 Prст=1,855
Reж – число Рейнольдса жидкости
Определим число Рейнольдса по формуле:
Reж=ω⋅dвнνж
где:
νж - коэффициент кинематической вязкости воды при средней температуре воды t2=450C νж=0,658·10-6 м2/с
ω=1 м/с – скорость воды в трубках
Reж=1⋅14·10-30,658·10-6 =21276,6
Nuж=0,021·21276,60,8∙3,940.433,941,8550.25∙1=132,55
Коэффициент теплоотдачи от стенки к воде определим по формуле:
α2=Nuжλжdвн;Вт/м2К.
где:
λж=637,15·10-3 Вт/(м·К) – коэффициент теплопроводности воды при средней температуре t2=450C
α2=132,55·637,15·10-314·10-3=6032,45 Вт/м2К.
Определим среднелогарифмический температурный напор по формуле:
Δtл=Δtб-ΔtмlnΔtбΔtм; ℃
где:
Δtб – наибольшая разница температур, ℃
Δtм – наименьшая разница температур, ℃
Δtб=tн-t2'=145,3-10=135,3℃
Δtм=tн-t2''=145,3-80=65,3℃
Δtл=135,3-65,3ln135,365,3=96,09 ℃
Определим коэффициент теплопередачи с учетом загрязнения трубок по формуле:
kδ=0,81α1+δλ+1α2;Вт/(м2·К)
где:
δ=1,5·10-3 м – толщина стенок трубок
λ=85,5 Вт/(м·К) – коэффициент теплопроводности латуни
kδ=0,814563,83+1,5·10-385,5+16032,45=1987,93 Вт/(м2·К)
Поверхность теплообменного аппарата определим из уравнения теплопередачи:
F=Qkδ·Δtл;м2
F=7315·1031987,93·96,09=38,29 м2
Определим число трубок в одном ходу по формуле:
m=4G23,6·ρж·ω·π·dвн2
где:
ρж=990,2 кг/м3 – плотность воды при средней температуре t2=450C
m=4·903,6·990,2·2·3,14·(14·10-3)2=82
Округляем количество труб до десятков m=80
Выбираем число ходов z=4, тогда общее число труб в аппарате составит
n=m·z
n=80·4=320
Действительная высота труб:
H=Fπ·dср·m;м
где:
dср=15,5 мм – средний диаметр трубок
H=38,293,14·15,5·10-3·320=2,459 м
Невязка расчета:
Δ=h-Hh·100%
Δ=2-2,4592·100%=22,9%
Невязка получилась менее 30%, что удовлетворяет необходимой точности.
Диаметр трубной доски при расположении труб по вершинам равностороннего треугольника:
D=1,13·t·0,87·nφ
где:
t – шаг между трубками; м
t=1,25…2,5·dн=2·17=34 мм=34·10-3 м
n – общее количество труб в аппарате
φ – коэффициент заполнения трубной доски, для многоходовых аппаратов φ=0,6
D=1,13·34·10-3·0,87·3200,6=0,828 м