1. Тепловой  расчет

 
 

            Цель теплового  расчета – определение необходимой  площади теплопередающей поверхности, соответствующей при заданных температурах оптимальным гидродинамическим условиям процесса и выбор стандартизованного теплообменника [1].

     Из  основного уравнения теплопередачи: 

       ,                                                         (1) 

      где F – площадь теплопередающей поверхности, м²;

      Q – тепловая нагрузка аппарата, Вт;

      K – коэффициент теплопередачи,  ;

        – средний температурный  напор, К. 
 
 

          

1. Определение тепловой нагрузки аппарата

   

    В рассматриваемой задаче нагревание воды осуществляется в горизонтальном теплообменнике теплотой конденсирующего пара, поэтому тепловую нагрузку определим по формуле [6]: 

      

,                                                                      (2)

      

     где G_хол – массовый расход воды, кг/с, ;

      С_хол – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кг×К);

      Т_к, Т_н – конечная и начальная температуры воды, К; 
 

        – коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду при нагревании, = 1,05.

     Средняя температура воды:   

      

 ⁰С ,

     Этому значению температуры соответствует

 

      

      

.

Тогда Вт, с учетом потери     Вт.  
 

1.2 Определение расхода  пара и температуры  его насыщения 

     Расход  пара определим из уравнения:

                                        ,                                                                               (3) 

      где D – расход пара, кг/с;

        r – скрытая теплота конденсации пара, Дж/кг.

    По [2, прил. LVII] при Р_п = 0,3 МПа, r = 2171×10³ Дж/кг, Т_к = 133 ⁰С.

     Из  формулы (3) следует, что 

      

 кг/с. 
 
 
 
 

      1.3 Расчет температурного  режима теплообменника 
 

     Цель  расчета – определение средней  разности температур и средних температур теплоносителей t_ср1 и t_ср2. Для определения среднего температурного напора составим схему движения теплоносителей. 

           Т_н = 191,7 ⁰С  Пар  Т_к = 191,7 ⁰С

      

    t_к = 96 ⁰С     Вода   t_н = 40 ⁰С

          ________________________

           ⁰С         ⁰С 

        Так как  , то ⁰С.

     Температура пара в процессе конденсации не изменяется, поэтому    t_ср1 = Т_п = 191,7 ⁰С, а средняя температура воды : t_{ср 2} = t_{ср 1}- t_ср = 191,7-123,7=68 ⁰С. 
 
 
 
 
 
 

4. Выбор теплофизических  характеристик теплоносителей

 
 

     Теплофизические свойства теплоносителей определяем при  их средних температурах и заносим  в таблицу 1. 

                                                                              Таблица 1

                             Теплофизические свойства теплоносителей 

      

     
 
 
 
 
 
 
 
 

    1.5 Ориентировочный  расчет площади  поверхности аппарата.

    Выбор конструкции аппарата 
 

     Ориентировочным расчетом называется расчет площади  теплопередающей поверхности по ориентировочному значению коэффициента теплопередачи К, выбираемому из [1, табл. 1.3]. Принимаем К= 800 Вт/(м²×К), поскольку теплота передаётся от конденсирующего пара к воде, тогда ориентировочное значение площади аппарата по формуле (1) 

                   м². 

     Так как в аппарате горячим теплоносителем является пар, то для обеспечения высокой интенсивности теплообмена со стороны воды, необходимо обеспечить турбулентный режим движения и скорость течения воды в трубках аппарата. Принимаем число Рейнольдса Re = 12000.

     Для изготовления теплообменника выберем  трубы стальные бесшовные диаметром 25х2 мм.

     Необходимое число труб в аппарате n, обеспечивающее такую скорость, определим из уравнения: 

                 ,                                                                          (4) 

где  n – количество труб в аппарате, шт.;

       d – внутренний диаметр труб, м;

       G – массовый расход воды, кг/с;

      - динамическая вязкость, Па·с;

       Re – число Рейнольдса.

  

     Из  формулы (4):

 шт. 
 

     Такому  числу труб  n = 39 шт. и площади поверхности аппарата F = 18,3 м² по [1, табл. 1.8] ГОСТ 15118-79 и ГОСТ 15122-79 наиболее полно отвечает кожухотрубчатый двухходовой теплообменник диаметром 325 мм, с числом труб 28 в одном ходе, длиной теплообменных труб 4000 мм и площадью поверхности F = 17,5 м².

      Проверим скорость движения воды в трубах аппарата:

 м/с. 

     Значение  скорости находится в рекомендуемых  пределах, поэтому выбор конструкции  аппарата закончен. 
 

     1.6 Приближенный расчет  коэффициентов теплоотдачи  и 

коэффициента теплопередачи 
 

     Приближенным  расчетом называется расчет коэффициентов и К по формулам, не учитывающим влияние температуры стенки теплопередающей поверхности на интенсивность теплоотдачи [1].

     Коэффициент теплоотдачи при конденсации  водяного пара на пучке вертикальных труб без учета температуры стенки рассчитывается по формуле [1, с. 24]:

                            

,                                                    (5)

   где G – массовый расход конденсирующегося пара, G = 6,24·10^-1 кг/с;

        n – число труб в аппарате с наружным диаметром d, шт;

 – теплопроводность, плотность  и вязкость конденсата при  температуре конденсации. 

   По  формуле (5)

      

  . 

   Режим движения воды в трубках аппарата: 

      

 – турбулентный, так как  Re>10⁴. 

     Для расчета процесса теплоотдачи в  закрытых каналах при турбулентном режиме движения и умеренных числах Прандтля (Рr  < 80) рекомендуется уравнение [1, с. 23]:

      

,                                                       (6)

   где – критерий Нуссельта;

      – критерий Рейнольдса;

      – критерий Прандтля;

      – отношение, учитывающее влияние  направления            теплового потока (нагревание или охлаждение) на интенсивность теплоотдачи.  

     Отношение принимаем равным 1, тогда по формуле (6): 
 

       , а

                  . 

     Принимаем тепловую проводимость загрязнений со стороны греющего пара [2, табл. ХХХI]:

, 

     а со стороны воды [2, табл. ХХХI]:

,

,

.

     Тогда 

     или , 

где – сумма термических сопротивлений всех слоев, из которых состоит стенка, включая слои загрязнений. 

     Так как теплообменная трубка тонкостенная (d_вн > ), то для расчета коэффициента теплопередачи применяют формулу для плоской стенки

,                                                      (7) 

     где – коэффициенты теплопередачи со стороны пара и воды,

      ;

      – сумма термических сопротивлений.

   По  формуле (7)

      

. 

   Расчетная площадь поверхности теплообмена  по формуле (1):

       м². 

     Площадь поверхности теплообмена выбранного теплообменного аппарата F=17,5 м² , что отвечает требуемой поверхности, т.е. для выполнения уточненного расчета оставляем ранее выбранный в ориентировочном расчете аппарат. 
 

      1.7  Уточненный расчет  коэффициентов теплоотдачи.  Окончательный выбор теплообменного аппарата 
 

     Уточненным  называется расчет коэффициентов теплоотдачи с учетом температуры стенки.

     Расчет  температуры стенки ведем методом  последовательных приближений. 
 

      Первое  приближение. 

     Задаемся  значением температуры стенки со стороны пара, равным = 100⁰С.

     Расчет  коэффициента теплоотдачи при конденсации пара с учетом температуры стенки на пучке вертикальных труб будем вести по формуле    [1, с. 24]:

                       ,                                                                     (8)                  

где , , , - плотность, теплопроводность, удельная теплота                                                                                                                                                               конденсации, динамическая вязкость пленки при ;                                                                                                                                  - разность температур стенки и конденсирующегося пара;