I I часть контрольной работы по курсу ,,Теплопередача,,:

Задание № 1.

В трубчатом двухходовом воздухоподогревателе парово­го котла ( см. рис.) воздух в количестве G₂ = 24,5 кг/с должен на­греваться от t'_ж2 = 30° С до t"_ж2 = 260⁰ С.

Определить необходимую площадь поверхности нагрева, высоту труб в одном ходе ι₁ и количество труб, расположенных поперек и вдоль потока воздуха.

Дымовые газы (13% С0₂, 11% Н₂0) в количестве G₁ = 18,5 кг/с движутся внутри стальных труб (λ_с = 48 Вт/(м·°С) диаметром d₂/ d₁ = 53/50 мм со средней скоростью ω₁=17 м/с. Температура газов на входе в воздухоподогреватель t'_ж1 = 425° С.

Воздух движется поперек трубного пучка со средней скоростью в узком сечении пучка ω₂ = 9 м/с. Трубы расположены в шахматном порядке с шагом s₁ = s₂ =1,2 d₂.

Решение:

Среднеарифметическая температура воздуха

t_ж2 = 0,5 (t'_ж2 + t"_ж2) = 0,5 (30 + 260) = 145°С.

Стр. 12

При этой температуре физиче­ские свойства воздуха равны соот­ветственно:

ρ_ж2 = 0,844 кг/м³; с_рж2 = 1,01 кДж/(кг · °С);

λ_ж2 = 3,52 · 10^–2 Вт/(м ·°С); υ_ж2 = 28,310· 10^–6 м²/с; Рr_ж2 = 0,684.

Количество передаваемой теплоты

Q = G₂ с_рж2 (t"_ж2 – t'_ж2) = 24,5 · 1,01 · (260 – 30) =

= 5691,35 кВт.

Определим температуру газов на выходе из воздухоподогревателя.

В первом приближении принимаем среднюю температуру газов в воздухо­подогревателе t_ж1 = 300⁰С. При этой температуре

с_рж1≈1,12 кДж/(кг·°С) и t"_ж1=t'_ж1–(Q/(G₁с_рж1) = 425 – (5691,35/(18,5·1,12)) = 150,3°С

тогда t_ж1 = 0,5 (t'_ж1 + t"_ж1) = 0,5 (425 + 150,3)=287,65°С.

При этой температуре с_рж1 = 1,11 кДж/(кг ·°С) и в результате второго приближения t"_ж1 = 150° С и t_ж1 = 290°С.

При температуре t_ж1=290°С физические свойства дымовых газов заданного состава равны соответственно:

ρ_ж1 = 0,600 кг/м³; с_рж1 = 1,12 кДж/(кг·°С); λ_ж1 = 0,0434 Вт/(м ·°С);

υ_ж1 = 40,78· 10^–6 м²/с; Рr_ж1 = 0,66.

Число Рейнольдса для потока газов:

Rе_ж1 = (ω₁· d₁) / υ_ж1 = (17·0,05) / (40,78· 10^–6) = 21000

Число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи от газов к стен­кам труб по формуле:

Nu_ж1 = 0,021· Rе_ж1^0,8 · Рr_ж1^0,43 = 0,021 (1,7·10⁴)^0,8 · (0,66)^0,43 = 43,5;

α₁ = Nu_ж1(λ_ж1 / d₁) = 43,5(0,0434/0,05) = 37,76 Вт/(м² ·°С).

Число Рейнольдса для потока воздуха:

Rе_ж2 = (ω₂· d₂) / υ_ж2 = (9·0,053) / (28,3· 10^–6) = 17000

Число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи от стенок труб к воздуху при поперечном потоке по формуле:

Nu_ж2 = 0,41 · Rе_ж2^0,6 · Рr_ж2^0,33 · ε_s = 0,41 (1,7·10⁴)^0,6 · (0.684)^0,33 = 115,

где при шахматном расположении труб и s₁ / s₂ < 2 ε_s = ( s₁ / s₂ )^1/6

и так как , s₁ = s₂ то ε_s = 1;

α₂ = Nu_ж2(λ_ж2 / d₂) = 115(0,0352/0,053) = 76,2 Вт/(м² ·°С).

Коэффициент теплопередачи:

κ = 1/((1÷ α₁)+(δ_с÷ λ_с)+(1÷ α₂))=1/((1÷ 37,76)+((1,5·10^–3)÷48)+(1÷76,2))=25 Вт/(м² ·°С).

Так как: (t'_ж1 – t"_ж2) / (t"_ж1 – t'_ж2) = (425 – 150) / (260 – 30) = 1,2 то средний температурный напор ∆t ≈ ∆t _ж1 – ∆t _ж2 = 290 – 145 = 145°С.

По графику для рассматриваемой схемы движения теплоносите­лей (см. рис. П-4 приложения по Краснощекову) находим:

При Р = (t"_ж2 – t'_ж2) / (t'_ж1 – t'_ж2) = (260 – 30) / (425 – 30) = 0,582

R = (t'_ж1 – t"_ж1) / (t"_ж2 – t'_ж2) = (425 – 150) / (260 – 30) = 1,2

следовательно,

∆t = ε∆t _прот = 0,9 · 145 = 130,5°С.

Площадь поверхности нагрева воздухоподогревателя:

F = Q /( κ·∆t ) = (5· 10⁶) / (25·130,5) = 1839 м²

Общее число труб:

n = ( 4G₁) / (ρ_ж1∙πd₁²· ω₁) = ( 4· 18,5 ) / (0,600∙3,14(5·10^-2)² ∙17) = 924 Стр.13

Высота труб в одном ходе:

ι₁ = F / (2∙πd₁· n) = 1839 / (2∙3,14·0,05·924) = 6,3 м.

Площадь живого сечения для про­хода воздуха

f = G₂ / (ρ_ж2 · ω₂) = 24,5 / (0,844 · 9) = 3,23 м²

Число труб, расположенных по­перек потока:

n₁ = f / (ι₁·( s₁ – d₂) = 3,23 / (6,3·( 1,2·0,053 – 0,053 ) = 48

Число труб, расположенных вдоль потока:

n₂ = n / n₁ = 924 / 48 =19

Ответ:

Площадь поверхности нагрева F =1839 м²; высота труб в одном ходе ι₁= 6,3м; количество труб поперек потока n₁ = 48; количество труб вдоль потока n₂ = 19.

Задание № 2.

Выполнить тепловой расчет и определить основные разме­ры вертикального четырехходового пароводяного трубчатого тепло­обменника, предназначенного для нагрева G₁ = 29 т/ч воды от t_ж1 =19° С до t_ж1= 94° С

Вода движется внутри латунных трубок [ λ = 104,5 Вт/(м ·°С) ] диаметром

d₂/ d₁=15/13 мм со скоростью ω = 1,7 м/с. Греющим теплоносителем служит сухой насыщенный водяной пар с давлением р=127 кПа, который конденсируется на внешней поверхности трубок.

При расчете тепловые потери в окружающую среду принять рав­ными 2% количества подводимой теплоты. Схема теплообменника представлена на рисунке.