2.2 Конструктивный расчет

Определение основных размеров аппарата

В результате конструктивного расчета необходимо определить число секций аппарата и решить вопрос об их расположении и соединении.

Формула для расчета искомого диаметра патрубков для входа и выхода теплоносителей (в м)

где ρ - плотность теплоносителя на входе (для входного патрубка) или на выходе из аппарата, определяется по таблицам в зависимости от начальной или конечной температуры теплоносителя.

u - скорость теплоносителя на входе или на выходе из аппарата; скорость на входе принимается в пределах рекомендованных значений скоростей теплоносителей в трубах; скорость на выходе меньше скорости на входе за счет гидравлических сопротивлений аппарата.

Длина патрубков определяется:

, м

Общая длина рабочей части внутренней трубы рассчитывается из уравнения:

)

(м)

Длину рабочей части одной секции l рекомендуется принимать равной от 4 до 6 м, тогда число секций теплообменного аппарата будет равно:

2.3 Расчет тепловой изоляции

После завершения теплового и конструктивного расчетов следует обосновать необходимость применения тепловой изоляции и решить вопрос о том, какую часть внешней поверхности корпуса теплообменника надо покрывать слоем изоляционного материала.

Для многосекционных теплообменников типа "труба в трубе" предварительно рассчитывают среднюю температуру горячего теплоносителя в каждой секции и в каждом колене. Расчёт изоляции делается для секции и колена, в которых температура теплоносителей значительно отличается от температуры окружающей среды.

Коэффициент теплоотдачи α₃ рассчитывают по уравнению подобия для теплоотдачи при свободном движении жидкости (воздуха)

, (44)

причем значения с и n в уравнении (44) для отдельных участков различны и являются функцией аргумента GrPr. Их значения приведены в таблице .

Значения с и n в формуле

(Gr·Pr)	c	n
5·10^2…2·10^7	0,54	1/4

При вычислении критериев подобия и за характерный размер l , входящий в качестве линейного размера в критерии подобия, принят для труб - их диаметр. В качестве определяющей температуры принята средняя температура пограничного слоя , где t_ст - температура наружной поверхности аппарата (внешней трубы); t_возд - температура воздуха вне зоны, охваченной процессом.

В случае, если требования техники безопасности выполняются и потери теплоты Q_пот незначительны (менее 5% от сообщаемой продукту теплоты Q), то изоляцию можно не устанавливать. Более точный ответ о целесообразности изоляции может дать сравнительный экономический расчет стоимости теряемого тепла и расходов на изоляцию.

В остальных случаях решается вопрос о толщине слоя изоляции, который обеспечит минимальные потери и температуру на внешней поверхности не выше 35°С.

Сначала необходимо определить критерий Грасгофа. Учитывая, что для воздуха , ускорение свободного падения g=9,81 м/с², по стандарту, Δt =30-20=10°С, получим:

Определим величину произведения критериев Грасгофа и Прандтля, учитывая, что для воздуха, при устоявшейся температуре окружающей среде 20°С, критерий Прандтля :

где c и n числовые значения, зависящие от произведения критериев Грасгофа и Прандтля, определяемые по справочным таблицам, и соответственно c=0,54 и n=0,25, тогда:

Определив критерий Нуссельта, можно определить коэффициент теплоотдачи по формуле, учитывая, что коэффициент теплопроводности воздуха при 20°С (),:

2. Находим площадь поверхности внешней трубы теплообменника:

3. Теперь мы можем найти величину теплового потока, теряемого в окружающую среду неизолированной внешней поверхностью корпуса теплообменника по уравнению:

где температура стальной стенки принимается равной средней температуре теплоносителя (вода), т.е. =80С:

Что составляет 5,08% от действительного значения теплового потока, переданного холодному теплоносителю, что превышает 5%, следовательно, использование тепловой изоляции целесообразно. Учитывая, что температура внешней стенки внешней трубы составляет 80°С, что превышает допустимое значение в 40°С, для обеспечения безопасности эксплуатации теплообменной установки, необходима тепловая изоляция. Расчет толщины теплоизоляции представлен ниже.

4. Определим допускаемые при наличии изоляции потери тепла:

где- температура изоляции, которая не должна превышать 35°С, поэтому для расчета принимаем =35°С.

5. Определяем коэффициент теплопередачи через стенку наружной трубы:

где - площадь поверхности изоляции, которая примерно равна ; - средний температурный напор, определяемый в данном случае по формуле:

При этом получим:

6. Определим толщину слоя изоляции:

где - коэффициент теплопроводности материала изоляции, - стандартная толщина стенки внешней трубы,

Материал изоляции - войлок строительный.