всякое / основы конструированияи расчт то

31

Теплообменник типа "Труба в трубе" (к примеру 1)

Разрез 1-1

2		1
D		D

d1

d2

1

Вход t'2=200C

Выход

t"1=600C

1

Выход

L=2080 t"2=500С

Рис.5

Вход

t'1=1050C

32

Потери давления в местных сопротивлениях: Рм2 м2 ж2 22

2

Величина коэффициента местного сопротивления м2 зависит от вида местного сопротивления (прил. 2):

- входная камера (удар и поворот) м2'	1 1,5 1,5
- переход из одной секции в другую м2	" 6	2,5 15,0
- выход из межтрубного пространства м2'''		1 1,0 1,0

Суммарный коэффициент местного сопротивления:

м2 м2' м2" м2''' 1,5 15,0 1,0 17,5
Потери давления в местных сопротивлениях
Рм2		ж2		2		993,95 (0,742)2
				2	17,5		4789Па
		2				2

Общее сопротивление вторичного теплоносителя

Рт2 Рт2 Рм2 7367 4789 12156Па

Мощность, необходимая для перемещения вторичного теплоносителя

	N	2		Pт2 G2		12156 0,838	0,021кВт
				ж2 103		993,95 0,5 103

Пример 2

Определить величину поверхности теплообмена, высоту труб в одном ходе и количество труб, расположенных поперек и вдоль потока воздуха трубчатого двухходового воздухоподогревателя парогенератора. Воздух, поступая в возду-

хоподогреватель, нагревается от t´2=20 ºС до t˝2=240 ºC. Дымовые газы (13%

СО2; 11% H2O; 76% N2) движутся внутри стальных труб (λст=50 Вт/мºС) диа-

метром d2/d1=45/41 мм. Температура газов на входе в воздухоподогреватель t´1=350ºC, и на выходе t˝1=170 ºC. Трубы расположены в шахматном порядке с шагом S1=S2=1,3 d2. Средние скорости движения воздуха υ2=2,0 м/с и дымовых газов υ1=20м/с. Количество передаваемой теплоты Q=200 кВт.

Тепловой расчет Определяем среднеарифметическую температуру дымовых газов:

33

t1 350 170 2600 C 2

При t1=260ºC из [9] находим физические свойства дымовых газов:

1 0,696кг/м3 ; Ср1 1,1кДж/кг 0 С; ж1 4,5 10 2 Вт/м 0 С; vж1 37 10 6 м2/с; Рrж1 0,66

Число Рейнольдса для потока газов составит:

	Re	ж1		1 d1		20 0,041			2,22 104
				v1		37 10	6

Число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи от газов к стенкам труб опреде-

ляем по формуле (4.12).

Nu 0,021				Re	0,8 Pr			0,43 0,021 (2,22 104)0,8 (0,66)0,43 52,62
	1				ж1		ж1
1	Nu	ж1		52,62		4,5	10 2		57,75Вт/м2 0 С
		d1					10 2
					4,1

Определяем среднеарифметическую температуру воздуха

t2 (20 240)/2 1300C

При t'2 1300С из [9] находим физические свойства воздуха

2 0,876кг/м3 ; Ср2 1,011кДж/кг 0 С; ж2 3,41 10 2 Вт/м0 С; vж2 26,62 10 6 м2/с; Prж2 0,685

Число Рейнольдса для потока воздуха равно:

			2	d	2		2 4,5 10	2	0,338 104
Re	2
			v2				26,62 10 6

Число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи от стенок труб к воздуху при по-

перечном омывании труб:

	Nu2		0,41 Re2				0,6 1
При шахматном расположении труб и S1/S2<2										1 (S1 /S2)1/6 и так как S1=S2, то
1 1.
Nu2 0,41 (0,33 104)0,6 (0,685)0,33									1 47,415
	2	Nu	2		ж2		47,415	3,41 10 2	35,93Вт/м2 0	С
								45 10 2
					d2

Определим коэффициент теплопередачи:

																				34
К					1												1								22,13Вт/м2 0 С
		1							1						1			2 10 3				1
									2
															57,75
	1																50			35,93
Находим среднелогарифмический температурный напор:
tл			tб		tм								(t"1 t'2 ) (t'1 t"2 )										(170 20) (350 240)					128,970С
			ln			tб									ln	t"1 t'2									ln	170 20
																t'1 t"2										350 240
						tм

Для рассматриваемой схемы движения теплоносителей из графика [4] находим поправку к температурному напору:

При	Р	t"2 t'2		240	20	0,677	R	t'1 t"1		350 170	0,817
		t'1 t'2						t"2 t'2
			350		20					240 20

величина 0,91поэтому t tл 128,97 0,91 1170С

Поверхность теплообмена воздухоподогревателя

F		Q 103							2 10		5					2
													77м
		K t							22,13 117
Находим общее число труб по формуле:																						n [						4G1			]
																									1 d1					2 1
где
G						Q						2 102			1,01кг/с, G							Q							2 102			0,9кг/с,
			C			(t'					1,1 180									C		(t"		t'			)
1					P1			t" )										2			P2		2			2		1,01 220
						1		1
n [									4 1,01								] 55
				0,696 3,14 (4,1 10 2)2											20

Находим длину трубы в одном ходе:

l1	F		77	5,43м
	2 d1 n		2 3,14 0,041 55

Полная длина трубы l=2 l1=2 5,43=10,86 м

Живое сечение для прохода воздуха

f	G2		0,9	0,513м2
	2 2		0,876 2

Число труб, расположенных поперек потока, равно:

n1		f					0,513	7
	l	(S	d	2	)		5,43 (1,3 0,045 0,045)
1		1

Тогда число труб, расположенных вдоль потока, составит:

Принимаем число труб 8.

n		n		55	7,86
		n
2			7
	1

35

Гидродинамический расчет Определяем гидравлические сопротивления первичного теплоносителя

(для трубного пространства):

Сопротивление трения по формуле (5.1):

Pт l 1 12 ,Па d1 2

	Коэффициент сопротивления трения:		0,3164		0,3164	0,0259
			Re 0,25		(2,22 104)0,25
	1
		1

Сопротивление трения: Pт1 0,0259 10,86 0,696 202 950Па 0,041 2

Определим потери давления в местных сопротивлениях: Рм1 м1 1 12 ,Па

2

Величина коэффициента местного сопротивления м зависит от вида местного сопротивления [1,3] (прил. 2):

входная и выходная камеры (удар и поворот) м1 2 1,5 3

Потери давления в местных сопротивлениях:

Рм1	м1		1		1	2	3	0,696 20	2	417,6Па
				2				2

Общее сопротивление первичного теплоносителя:

Р1 Рт1 Рм1 950 417,6 1367,6Па

Мощность, необходимая для перемещения первичного теплоносителя:

	N	1		P1 G1		1367,6 1,01	3,96 кВт
				1 103		0,696 0,5 103

Определяем гидравлическое сопротивление вторичного теплоносителя (для межтрубного пространства):

Сопротивление трения: Рт2 2 2 22 ,Па

2

Коэффициент сопротивления трения 2 при поперечном обтекании пучка труб находят по формуле (5.4):

2 (4 6,6 m) Re2 0,28 (4 6,6 8 2) 3380 0,28 11,26 ,

где m = 2 n2 - число труб по направлению движения теплоносителя.

Потери давления на трение при движении воздуха:

36
Воздухоподогреватель (к прим. 2)
Разрез 1-1
направление	n1
потока
1
S
S2
n2

t'ж1=3500С

А

А

t"ок =2400С

2

t'ок =200С

2

t'ж1=1700С

Рис.7

37

Pт2 11,26 0,876 22 2 39,68Па 2

Определяем потери давления в местных сопротивлениях:

Рм2	м2		2		2	, Па
					2
				2

Величина коэффициента местного сопротивления м2

сопротивления (прил. 2):

-входная и выходная камеры (удар и поворот) 'м2

-поворот на угол 180º из одной секции в другую меру "м2 2,5.

Суммарный коэффициент местного сопротивления:

зависит от вида местного

2 1,5 3.

через промежуточную ка-

м2 'м2 "м2 3 2,5 5,5.

Потери давления в местных сопротивлениях:

Рм2		м2		2		2	2	5,5	0,876 2	2	9,64Па
					2				2

Общее сопротивление вторичного теплоносителя

Р2 Рт2 Рм2 39,68 9,64 49,32Па

Мощность, необходимая для перемещения вторичного теплоносителя:

	N	2		P2 G2		49,32 0,9	0,098 кВт
				2 103		0,876 0,5 103

Пример 3

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 тру-

бок ( лат	102Вт/м0С)	диаметром d2/d1=16/14 мм,	d2 d1	1мм, со скоростью
		2

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.

38

Тепловой расчет

Определяем параметры греющего пара для давления:

P=0,143 МПа [9],	i˝=2691,4 кДж/кг,
ts=110ºC,	i´=461,4 кДж/кг,

Определяем расход первичного теплоносителя:

G	Q		2200	0,99кг/с,
			2691,4 461,4
1	i"-i'

Определяем расход вторичного теплоносителя:

G1	Q		2200	8,8кг/с,
	Cp2 (i"2 i'2 )		4,187 (90 30)

где Ср2 4,187кДж/кг0С- 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 темпе-

ратурный напор.

ts=110ºC

t˝2=90ºC

t´2=30ºC

l

Рис.8

tcp

t"2 t'2

tcp

90 30

43,50 C

ln

ts

t'2

ln

110 30

ts

t"2

110 90

Задаемся температурой стенки в первом приближении

t	ст	t	s		tл	110	43,5	880 С
				2		2

Задаемся также высотой трубок H=2м.

Приведенная высота поверхности (длина трубки):

Z tл H A

39

При ts = 110ºC по табл. 8-1 [5]

A = 60,7 I/мºС B 6,95 10-3 м/Вт

Z tл H A 43,5 2 60,7 2680 2300 2 2

Режим течения пленки конденсата турбулентный.

При пленочной конденсации сухого насыщенного пара и смешанном ре-

жиме течения пленки конденсата средний по длине коэффициент теплоотдачи определяют по формуле:

Pr

0,25

0,5

4/3

Re1 [253 0,069

Pr

(z 2300)]

Pr

ст

Здесь Pr, Prст – числа Прандтля для конденсата

При ts=110ºC

Pr=1,60

при tcm1

=88ºС

Prcm

=2,0

1

1,6

0,25

Re

[253 0,069

(1,6)0,5 (2680 2300)]4/3 1770

1

2

Учитывая, что Re1 t H B находим:

Re1

1770

5770Вт/м2 0 С

1

tл

22 2 6,95 10 3

H B

2

Определим коэффициент теплоотдачи к воде.

Среднеарифметическая температура воды

t2		t'2 t"2		30 90	600 C
	2		2

При t2

600 C физические свойства воды [7]:

ж2

983,2кг/м3 ;

ж

2

65,9 10 2 Вт/м0 С; v

ж2

0,478 10 6

м2/с;

Pr

2,98;

ж2

Число Рейнольдса для вторичного теплоносителя (вода)

2

d

1

1 1,4 10 2

2,93 104

Reж2

vж2

0,478 10 6

Режим движения

воды турбулентный, поэтому число Нуссельта рассчитывают

по формуле:

				0,43		Prж2	0,25
	Nu2	0,021 Reж	0,8 Prж2
		2				Prсm2

Перепад температур по толщине стенки оцениваем в 1ºС, тогда

					40
tcm	2	tcm	1 88 1 870С	и Prcm	2,03
		1			2

Nu2 0,021 (2,93 10								4	)	0,8	2,98		0,43		2,98						0,25	138,41
															2,03
					ж2
	2	Nu	2			138,41		0,659				6510Вт/м				2		0	С
					d1						3
						1,4 10

Коэффициент теплоотдачи от пара к воде:

К				1						1						2980Вт/м2 0 С
		1				1				1		1 10 3		1
	1				2					5770 102			6510

Средняя плотность теплового потока

q K tл 2980 43,5 130кВт/м2

Поверхность теплообмена в первом приближении

F	Q		2200	16,9м2
			130
	q

Число трубок в одном ходе

m [	4 G2	]	4 8,8	58
	2 2 d12		983,2 1 3,14 (1,4 10 2 )2

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

Высота трубок в первом приближении

		H			F						16,9	1,55м
				dср						3,14 1,5 10 2 232
						n
Температура стенок трубок
tcm		ts	q		110			130 103			87,50 C;	tcm	tcm		q	87,5	130 103	1 10 3	86,20 C
															лат
	1	1							5770				2	1		102

Полученные значения величин Н, tcm1 , tcm2 отличаются более чем на 10%, по-

этому производим повторный расчет, принимая Н=1,5м, tcm1 =88ºС, tcm2 =86ºС.

Повторный расчет Пусть приведенная высота поверхности (длина трубки) равна:

Z t H A (110 88) 1,5 60,7 2190 2300