Задача 2

Определить площадь поверхности нагрева, количество внутренних трубок, внутренний диаметр внешней трубы и число секций водо-водзшного кожухотрубчатого теплообменника (рис. 5.2), в котором греющая вода движется по внутренним металлическим трубкам (коэффициент теплопроводности λ, Вт/(м²∙К) каждая диаметром, мм. Температура греющей воды на входе t₁' на выходе t₁'' °C.

Нагреваемая вода движется в межтрубном пространстве и нагревается от t₂'. °С до t₂'', °С Расход нагреваемой воды G₂, кг/ч. Длина одной секции теплообменника l, м.

Расчет выполнить для прямоточной схемы.

Исходные данные приведены в табл. 7.2.

Исходные данные к задаче 2

Таблица 7.2

Первая цифра варианта	λ, Вт/(м∙К)	, мм	t1',°С	t1'', °C	Вторая цифра варианта	t2', °С	t2'', °С	G2, кг/ч	l, м
0	20	14/13	95	50	0	5	40	53000	1,5
I	50	16/14	105	60	1	7	50	44800	1,6
2	80	18/16,5	115	70	2	9	60	36600	1,7
3	85	20/18	130	80	3	11	70	23400	1,8
4	90	22719,5	150	90	4	13	80	19200	1,9
5	95	24/21	95	55	5	6	45	55900	2
6	42	26/22,5	105	65	б	8	55	46700	2,1
7	48	28/24	115	75	7	10	65	38500	2,2
8	45	30/25,5	130	85	8	12	75	29300	2,3
9	25	32/27	150	95	9	14	85	18100	2,4

Пример 2

Согласно условию к задаче 2 выполнить конструктивный тепловой расчет прямоточного водо-водяного кожухотрубчатого теплообменника.

Исходные данные: коэффициент теплопроводности металлаλ=108 Вт/(м∙К);

- диаметры внутренних трубок ;

- температура горячего теплоносителя на входе t₁'=150°C;

- температура горячего теплоносителя на выходе t₁''=70°С;

- температура холодного теплоносителя на входе t₂'=5°С;

- температура холодного теплоносителя на выходе t₂"=60°С;

- расход нагреваемой воды G₂=7200 кг/ч;

- длина одной секции l="1,4 м.

Решение:

1. Среднеарифметические температуры теплоносителей и физические свойства воды при этих температурах, принимаемые согласно прил. 3.

t₁=0,5(t₁'+ t₁'')=0,5(150+70)=110 °С

t₂=0,5(t₂'+ t₂'')=0,5(5+60)=32,5 °С

t, °С	ρ, кг/м3	v, м2/с	λ, Вт/(м∙К)	Рr	Ср,. кДж/(кг∙К)
110	951	0,272∙10-6	0,685	1,6	4,233
32,5	994,8	0,768∙10-6	0,622	5,14	4,174

2. Тепловая нагрузка (тепловая мощность) ТА определяется по (3.4)

кВт

3. Расход греющей воды

кг/с.

4. Общее число трубок в теплообменнике при одном ходе теплоносителя согласно (5.2)

,

где ω₁=1,5 - скорость движения теплоносителя в трубках, м/с, принятая по рекомендациям табл. 4.1.

Используя данные табл. 5.1 окончательно принимаем п=7. Это количество трубок компонуется в пучок при любой схеме их размещения на трубной доске (ромбическое размещение или размещение по концентрическим окружностям).

Уточняем величину скорости течения теплоносителя

м/с.

5. По табл. 5.1 определяем величину отношения , которое при п₁₌п₂=7 равно 2.

Значение шага трубок

S=1,5d_нар=1,5∙0,016=0,024 м

тогда диаметр окружности, на которой размещается крайний ряд трубок, будет равен D'=2S=2∙0,024=0,048 м.

6. Внутренний диаметр внешней грубы (кожуха) по (5 6)

D=D'+d_нар+К=0,048+0,016+0,006=0,07 м.

где К- кольцевой зазор между крайними трубками и кожухом, м; принимаем К= 0,006 м.

7. Скорость течения воды в межтрубном пространстве

м/с

8. Число Рейнольдса для потока греющей воды согласно (4.10)

9. Так как режим течения греющей воды турбулентный, расчёт числа Нуссельта ведём по (4.16)

Температура поверхности стенок трубок неизвестна, поэтому принимаем её в первом приближении по (4.12)

t_с1≈0,5(t₁+t₂)=0,5(110+32,5)=71,25 °С

При этой температуре Рr_c1=2,51 (прил. 3).

10. Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенкам трубок по(4.8)

Вт/(м²∙К)

11. Число Рейнольдса для потока нагреваемой воды

где эквивалентный диаметр проточной части межтрубного пространства согласно(4.9)

0,017 м

12. Так как режим течения нагреваемой воды турбулентный, расчёт числа Нуссельта ведем по (4.16)

Температура наружной поверхности стенок трубок неизвестна, поэтому принимаем её в первом приближении t_с1 ≈t_с1 и, следовательно Pr_с1 ≈Pr_с1≈2,51.

13. Коэффициент теплоотдачи от стенок трубок к нагреваемой воде по (4.8)

Вт/(м²∙К)

14. Коэффициент теплопередачи по (4.7)

Вт/(м²∙К)

где толщина стенки δ=0,5(d_нар–d_вн)=0,5(0,016–0,014)=0,001 м.

15. Строим график изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена (рис. 7.2) и находим большую и меньшую разности температур.

Рис. 7.2. Характер изменения температур теплоносителей (к примеру 2)

16. Так как то расчет среднего температурного напора следует вести по (4.2).

°С

17. Площадь поверхности нагрева согласно (4.1)

.

18. Общая длина трубок по (5.3)

м.

19. Число секций по (5.4)

принимаем z=7.

Выполненный расчет требует проверки ввиду того, что температуры по­верхностей стенок были приняты ориентировочно.

20. Плотность теплового потока в аппарате

Вт/м²

21. Температура стенок со стороны греющей воды

°C.

При этой температуре Рr_c1=1,91 (прил. 3).

22. Поправка на изменение физических свойств жидкости по сечению потока в трубках

=0,9567, в расчете было принято 0,8935.

Погрешность составляет

.

23. Температура стенки со стороны нагреваемой воды

°C.

При этой температуре Рr_c2=2,80 (прил. 3).

24. Поправка на изменение физических свойств жидкости по сечению потока в межтрубном пространстве

=1,1619, в расчете было принято 1,1962.

Погрешность составляет

.

Обе погрешности не выходят за пределы допустимых значений для инженерных расчётов.