Пример расчета вертикального кожухотрубчатого теплообменного аппарата

Определить величину поверхности теплообменника и основные размеры вертикального четырехходового трубчатого теплообменника, предназначенного для нагрева воды от t′₂=30 ºC до t′′₂=90 ºC. Вода движется внутри латунных трубок ( )диаметром d₂/d₁=16/14 мм, , со скоростью υ = 1 м/с. Греющим теплоносителем является сухой насыщенный водяной пар с давлением P =0,143 МПа и скоростью υ₁ = 10 м/с, который конденсируется на внешней поверхности трубок. Количество передаваемой теплоты Q = 2200 кВт. Потери теплоты в окружающую среду не учитывать.

Тепловой расчет

Определяем параметры греющего пара для давления по [7] либо по Приложению 3: P=0,143 МПа, h˝=2691,4 кДж/кг, t_s=110ºC, h´=461,4 кДж/кг.

Определяем расход первичного теплоносителя G, кг/с:

Определяем расход вторичного теплоносителя:

где = 4,187кДж/кг ⁰С - теплоемкость воды при средней температуре t₂ = 60ºC.

Для расчета коэффициента теплоотдачи к внешней поверхности трубки при конденсации пара надо знать температуру внешней поверхности стенки и высоту трубки. Эти значения неизвестны, поэтому расчет проводим методом последовательных приближений. Определяем среднелогарифмический температурный напор.

Рисунок 8 – Температурный график теплообменного аппарата

Задаемся температурой стенки в первом приближении

Задаемся также высотой трубок H=2м.

Приведенная высота поверхности (длина трубки):

При t_s = 110ºC по табл. 8-1 [5] или Приложению 6 A = 60,7 1/мºС B = 6,95 10^-3 м/Вт

Режим течения пленки конденсата турбулентный.

При пленочной конденсации сухого насыщенного пара и смешанном режиме течения пленки конденсата средний по длине коэффициент теплоотдачи

определяют по формуле:

Здесь Pr, Pr_ст – числа Прандтля для конденсата. При t_s=110ºC Pr=1,60 , при t _cm1 =88ºС Pr_cm1 =2,0 (см. Приложение 2,3)

Учитывая, что находим:

Определим коэффициент теплоотдачи к воде.

Среднеарифметическая температура воды

C

При t₂= 60⁰C физические свойства воды [7] (Приложение 2):

; ; ;

Число Рейнольдса для вторичного теплоносителя (вода)

Режим движения воды турбулентный, поэтому число Нуссельта рассчитывают по формуле:

Перепад температур по толщине стенки оцениваем в 1ºС, тогда и по Приложению 2

Коэффициент теплоотдачи от пара к воде:

Средняя плотность теплового потока

Поверхность теплообмена в первом приближении

м²

Число трубок в одном ходе

Число ходов 4 и всего трубок n = 4 58 = 232

Высота трубок в первом приближении

Температура стенок трубок

Полученные значения величин Н, t _cm1 , t _cm2 отличаются более чем на 10%, поэтому производим повторный расчет, принимая Н=1,5м, t _cm1 =88ºС, t _cm2 =86ºС.

Повторный расчет

Пусть приведенная высота поверхности (длина трубки) равна:

Режим течения пленки конденсата ламинарный, поэтому расчет ведем по формуле:

Для вторичного теплоносителя при t _cm2 =86,0ºС, Pr _cm2 =1,96

Коэффициент теплоотдачи:

Коэффициент теплопередачи:

Средняя плотность теплового потока:

Поверхность теплообмена:

Число трубок в одном ходе 58.

Всего трубок n=4 · 58=232 сохраняются прежними.

Высота трубок во втором приближении

Температура стенок трубок

Совпадение полученных значений с ранее принятыми лежит в пределах точности расчета, таким образом, окончательно принимаем F=16,4м² и Н=1,5м.

Определяем внутренний диаметр корпуса теплообменника

В данном случае выбираем шаг труб S=1,5 16=24мм и коэффициент заполнения трубной решетки =0,6

Определяем диаметры патрубков:

– парового

где =0,826кг/м³, при t_s=110⁰C,

– водяного

Полученные значения диаметров патрубков следует округлить до ближайших стандартных размеров (см. Приложение 5)

Гидродинамический расчет

Гидравлическое сопротивление пароводяных подогревателей по межтрубному пространству при конденсации пара на пучке вертикальных или горизонтальных трубок, как правило, не определяется. Величина такого сопротивления при нормальной эксплуатации теплообменных аппаратов, работающих с небольшими скоростями греющего пара – до 10 м/с в межтрубном пространстве, очень мала [6].

Для вторичного теплоносителя (вода):

сопротивление трения

Коэффициент сопротивления трения

Местные сопротивления

Коэффициенты местных сопротивлений равны: (см. Приложение7)

- удар и поворот потока во входной и выходной камерах

- вход воды из камер в трубки и выход из трубок в камеры

- поворот на угол 180⁰ в камерах

Суммарный коэффициент равен:

Местные сопротивления:

Общее сопротивление вторичного теплоносителя:

Мощность, необходимая для перемещения теплоносителя:

Рисунок 9 – Схема кожухотрубчатого вертикального пароводяного теплообменного аппарата