1. Тепловий розрахунок
Мета теплового розрахунку -визначення необхідної площі теплопередаючих поверхні, відповідноїпри заданих температурах оптимальним гідродинамічним умовами процесу івибір стандартизованого теплообмінника [1].
З основного рівняннятеплопередачі:
, (1)
де F - площатеплопередаючих поверхні, м 2 ;
Q - теплове навантаженняапарату, Вт;
K - коефіцієнттеплопередачі,;
- середній температурний напір, К.
1.1 Визначення теплового навантаженняапарату
У розглянутій задачінагрівання води здійснюється в горизонтальному теплообміннику теплотоюконденсується пара, тому теплове навантаження визначимо за формулою [6]:
, (2)
де G хол - масова витрата води, кг/с,;
З хол - середняпитома теплоємність води, Дж/(кг Г— К);
Т до , Т н - Кінцева і початкова температури води, К;
- коефіцієнт, що враховує втратитеплоти в навколишнє середовище при нагріванні, =1,05.
Середнятемпература води:
0 С,
Цьому значеннютемператури відповідає
.
Тоді
Вт,
з урахуванням втрати
Вт
1.2 Визначення витратипара і температури його насичення
Витрата пари визначимо зрівняння:
, (3)
де D - витрата пари, кг/с;
r - прихована теплота конденсації пари,Дж/кг.
За [2, дод. LVII] при Р п = 0,3 МПа, r = 2171 Г— 10 3 Дж/кг, Т до =133 0 С.
З формули (3) випливає,що
кг/с.
1.3 Розрахунок температурногорежиму теплообмінника
Мета розрахунку -визначення середньої різниці температур ісередніх температур теплоносіїв t СР1 і t ср2 . Для визначення середньоготемпературного напору складемо схему руху теплоносіїв.
Т н = 191,7 0 СПар Т до = 191,7 0 С
t до = 96 0 С Вода t н = 40 0 С
0 С 0 С
Так як
, то 0 С.
Температура пари впроцесі конденсації не змінюється, тому t СР1 = Т п = 191,7 0 С, а середня температураводи: t ср 2 = t ср 1 -t ср = 191,7-123,7 = 68 0 С.
1.4 Вибір теплофізичних характеристик теплоносіїв
Теплофізичні властивостітеплоносіїв визначаємо при їх середніх температурах і заносимо в таблицю 1.
Таблиця 1 Теплофізичнівластивості теплоносіїв
1.5 Орієнтовний розрахунок площіповерхні апарату. Вибір конструкції апарату
Орієнтовним розрахункомназивається розрахунок площі теплопередаючих поверхні по ориентировочномузначенням коефіцієнта теплопередачі К, вибирати з [1, табл. 1.3]. ПриймаємоДо = 800 Вт/(м 2 Г— К), оскільки теплота передається від конденсуєтьсяпара до води, тоді орієнтовний значення площі апарату за формулою (1)
м 2 .
Так як в апараті гарячимтеплоносієм є пара, то для забезпечення високої інтенсивностітеплообміну з боку води, необхідно забезпечити турбулентний режим рухуі швидкість течії води в трубках апарату. Приймаємо число Рейнольдса Re =12000.
Для виготовленнятеплообмінника виберемо труби сталеві безшовні діаметром 25х2 мм.
Необхідне число труб вапараті n, що забезпечує таку швидкість, визначимо зрівняння:
, (4)
де n -кількість труб в апараті, шт.;
d - внутрішній діаметр труб, м;
G - масова витрата води, кг/с;
- динамічна в'язкість, Па В· с;
Re - число Рейнольдса.
З формули (4):
шт.
Такому числу труб n = 39 шт. і площі поверхніапарату F = 18,3 м 2 по [1, табл. 1.8] ГОСТ 15118-79 і ГОСТ 15122-79 найбільш повно відповідаєкожухотрубчасті двоходовий теплообмінник діаметром 325 мм, з числом труб 28 у одному ході, довжиною теплообмінних труб 4000 мм і площею поверхні F = 17,5 м 2 .
Перевіримо швидкістьруху води в трубах апарату:
м/с.
Значення швидкості знаходиться врекомендованих межах, тому вибір конструкції апарату закінчений.
1.6 Наближений розрахуноккоефіцієнтів тепловіддачі та коефіцієнта теплопередачі
Наближеним розрахункомназивається розрахунок коефіцієнтів і К поформулами, що не враховує вплив температури стінки теплопередаючих поверхніна інтенсивність тепловіддачі [1].
Коефіцієнт тепловіддачіпри конденсації водяної пари на пучку вертикальних труб без урахування температуристінки розраховується по формулі [1, с. 24]:
, (5)
де G - масова витрата конденсирующегосяпара, G = 6,24 В· 10 -1 кг/с;
n - число труб в апараті із зовнішнімдіаметром d, шт;
- теплопровідність, щільність ів'язкість конденсату при температурі конденсації.
За формулою (5)
.
Режимруху води в трубках апарату:
- турбулентний, так як Re> 10 4 .
Для розрахунку процесутепловіддачі в закритих каналах при турбулентному режимі руху та помірнихчислах Прандтля (Рr <80) рекомендується рівняння [1,с. 23]:
, (6)
де - критерій Нуссельта;
- критерій Рейнольдса;
- критерій Прандтля;
- відношення, яке враховує впливнапрямки теплового потоку (нагрівання або охолодження) на інтенсивністьтепловіддачі.
Ставлення приймаємо рівним 1, тодіза формулою (6):
, а
.
Приймаємо тепловупровідність забруднень з боку гріє пара [2, табл. ХХХI]:
,
а з боку води [2,табл. ХХХI]:
,
,
.
Тоді
Або
,
де - сума термічнихопорів всіх шарів, з яких складається стінка, включаючи шари забруднень.
Так як теплообміннатрубка тонкостінна (d вн >),то для розрахунку коефіцієнта теплопередачі застосовують формулу для плоскої стінки
, (7)
де - коефіцієнтитеплопередачі з боку пари і води,
;
- сума термічних опорів.
За формулою (7)
.
Розрахункова площаповерхні теплообміну за формулою (1):
м 2 .
Площа поверхнітеплообміну обраного теплообмінного апарату F = 17,5 м 2 , що відповідає необхідної поверхні,тобто для виконання уточненого розрахунку залишаємо раніше обраний ворієнтовному розрахунку апарат.
1.7 Уточнений розрахуноккоефіцієнтів тепловіддачі. Остаточний вибір теплообмінного апарату
Уточненим називається розрахуноккоефіцієнтів тепловіддачі з урахуванням температури стінки.
Розрахунок температури стінкиведемо методом послідовних наближень.
Перше наближення.
Задаємося значеннямтемператури стінки з боку пара, рівним =100 0 С.
Розрахунок коефіцієнтатепловіддачі при конденсації пари з урахуванням температури стінки на пучкувертикальних труб будемо вести за формулою [1, с. 24]:
, (8)
де,,, - густина,теплопровідність, питома теплота конденсації, динамічна в'язкість плівкипри; - різниця температурстінки і конденсується пара;
- довжина труб.
Температура плівки: 0 С.
Для = 16,5 0 С:
= 59,06 В· 10 -2 Вт/(м В· К);
= 998,7 кг/м 3;
= 2460,85 В· 10 3 Дж/кг; = 1108 В· 10 -6 Па В· с.
За формулою (8):
Вт/(м 2 В· К).
Питома теплованавантаження з боку пара:
Розраховуємотемпературу стінки з боку води [1, с.16]:
, (9)
За формулою (9):
0 С.
При цій температурі дляводи [2, табл. ХXXIX]
(Рr ст2 ) І = 2,48.
З урахуваннямтемператури стінки
;
.
Питома теплованавантаження з боку вод...
