6. Содержание заданий и примеры расчётов

ТЕПЛООБМЕННЫХ АППАРАТОВ

Задача 1

Определить площадь поверхности нагрева и число секций водо-водяного теплообменника типа "труба в трубе" (рис. 5.1), в котором греющая вода движется по внутренней металлической трубе [коэффициент теплопроводности , Вт/(м∙Л)], диаметром , мм. Температура греющей воды на входе t₁', °С, кг/ч, расход греющей воды G₁ кг/ч.

Нагреваемая вода движется по кольцевому каналу между, трубами и на­гревается от t₂' до t₂'', °С. Внутренний диаметр внешней трубы D, мм, на 15 мм больше d_нар. Расход нагреваемой воды G₂, кг/ч. Длина одной секции теплообменника l, м.

Расчет выполнить для противоточной и прямоточной схем.

Исходные данные приведены в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Исходные данные к задаче 1

Первая цифра варианта	λ, Вт/(м∙К)	,мм	t1',°C	Вторая цифра варианта	G1, кг/ч	t2',°C	t2'',°C	G2, кг/ч	м
0	20	35/32	70	0	1700	10	40	2500	1,5
1	50	37/30	80	1	2000	20	45	3000	2
2	80	25/22	90	2	1800	20	40	2800	2,5
3	85	42/37	95	3	1500	25	50	2000	3
4	90	25/20	75	4	2500	13	40	3500	1.5
5	95	20/17	85	5	2100	18	50	3200	2
6	42	35/32	90	6	2200	22	45	2600	2,5
7	48	30/27	75	7	2300	15	30	2700	3
8	45	57/50	85	8	1900	17	40	3700	2
9	25	28/25	95	9	2400	15	45	3000	3

Пример I

Согласно условию к задаче 1, выполнить конструктивный тепловой расчет противоточного водо-водяного теплообменника "труба в трубе". Исходные данные:

- коэффициент теплопроводности металла λ=45 Вт/(мК);

- диаметры внутренней трубы - мм;

- температура, горячего теплоносителя на входе t₁'=9 5°С;

- расход греющей воды G₁₌2130 кг/ч;

- температура холодного теплоносителя на входе t₂'=15°С;

- температура холодного теплоносителя на выходе t₂''=45°С;

- внутренний диаметр внешней трубы D=48 мм;

- расход нагреваемой воды G₂=3200 кг/ч;

- длина одной секции ТА l=1,9 м.

Решение:

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

кВт

2. Температура греющей воды на выходе

°С,

где теплоемкость С_р1 принимаем равной 4,19 кДж/(кг∙К).

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

t₁=0,5(t₁'+ t₁'')=0,5(95+50)=72,5 °С

t₂=0,5(t₂'+ t₂'')=0,5(15+45)=30 °С

t,°С	ρ, кг/м3	ν, м2/с	λ, Вт/(м∙К)	Pr	Cp,кДж/(кг∙К)
72,5	976	0,403∙10-6	0,670.	2,47	4,189
30	996	0,805∙10-6	0,618	5,42	4,174

4. Скорость движения горячего теплоносителя:

м/с.

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

6. Так как режим течения греющей йоды турбулентный, расчет числа Нуссельта ведём по (4.16)

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

t_с1≈0,5(t₁+t₂)=0,5(72,5+30)=51,25 °С

При этой температуре Рr_c1=3,5 (прил. 3). 7.

7. Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке трубы по (4.8)

Вт/(м²∙К)

8. Скорость движения холодного теплоносителя

м/с

9. Число Рейнольдса для потока нагреваемой воды

где эквивалентный диаметр кольцевого канала согласно (4.9)

d₂=D-d_нар=0,048-0,035=0,013 м

10. Так как режим течения нагреваемой воды турбулентный, расчёт числа Нуссельта ведём по формуле (4.18) для кольцевого канала

Температура наружной поверхности стенки внутренней трубы неизвестна, поэтому принимаем её в первом приближении t_с2 ≈ t_с1 и, следовательно,

Рr_c2 ≈ Рr_c1≈3,5

11. Коэффициент теплоотдачи от стенки внутренней трубы к нагреваемой воде по (4.8)

Вт/(м²∙К)

12. Коэффициент теплопередачи по (4.7)

Вт/(м²∙К)

где толщина стенки δ=0,5(d_нар–d_вн)=0,5(0,035–0,032)=0,0015 м.

13. Строим график изменения температур теплоносителей вдоль поверх­ности теплообмена (рис. 7.1) и находим большую и меньшую разности температур

Рис. 7.1. Характер изменения температур теплоносителей (к примеру 1)

Δt_в=t₁' – t₂''=95-45=50°С, Δt_м=t₁'' – t₂'=50-15=35°С

14. Так как , то расчет среднего температурного напора можно вести по (4.3)

Δt=0,5(Δt_в+Δt_м)=0,5(50+35)=42,5°С

15. Площадь поверхности нагрева согласно (4.1)

.

16. Число секций по (5.1)

принимаем n=7.

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

17. Плотность теплового потока в аппарате

Вт/м²

18. Температура стенки со стороны греющей воды

°C.

при этой температуре Рr_c1=3,48 (прил. 3).

19. Поправка на изменение физических свойств жидкости по сечению потока во внутренней трубе

, в расчете было принято 0,9166.

Погрешность составляет

20. Температура стенки со стороны нагреваемой воды

°C.

При этой температуре Рr_c2=3,65 (прил. 3).

21. Поправка на изменение физических свойств жидкости по сечению потока в кольцевом канале

=1,104, в расчете было принято 1,116.

Погрешность составляет

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