Расчет водо -водяного кожухо -трубчатого теплообменника.

1.ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА.
1.1Составление теплового баланса аппарата.
Тепловой баланс рекуперативного жидкостно-жидкостного теплообменника при условии отсутствия изменения агрегатного состояния теплоносителей определяется уравнением :
Q = G1•cp1•( t?1 - t?1)• ?пот = G2•cp2•( t?2 - t?2)(1.1)
здесь G1 и G2 – массовые расходы теплоносителей;
cp1 и cp2 – удельные теплоемкости теплоносителей;
?пот - коэффициент потерь, по статистике ?пот =0,96…0,98, принимаю для расчетов среднее значение ?пот =0,97;
индекс 1 относится к «горячему» теплоносителю (греющая вода);
индекс 2 относится к «холодному» теплоносителю (нагреваемая вода).
По условию задания известны массовый расход G2 и температуры теплоносителей, следовательно, используя (1.1), можем найти массовый расход теплоносителя G1 и тепловую нагрузку Q. Для этого предварительно рассчитаем необходимые показатели теплофизических свойств теплоносителей – их удельные теплоемкости cp, плотности ?, числа Прандтля Pr, коэффициенты теплопроводности ?, коэффициенты кинематической вязкости ? и динамической вязкости ?, которые также потребуются при расчетах. Необходимые данные берем из таблицы П19 Приложения.
Поскольку все показатели теплофизических свойств теплоносителей за-висят от их температуры, а температура теплоносителей при работе теплооб-менника не остается постоянной, расчет этих показателей будем вести для средних значений температур :
t1ср = ( t?1 t?1)/2 = ( 1500 1000)/2= 1250С- средняя температура греющей воды;
t2ср = ( t?2 t?2)/2 = (900 600)/2= 750С- средняя температура нагреваемой воды.
Кроме того, определим среднюю температуру стенки латунной трубки как среднее арифметическое от средних температур нагреваемой (снаружи трубки) и греющей воды (внутри трубки) :
tст ср = (t1ср t2ср)/2 = (1250 750)/2=100

Расчет водо -водяного кожухо -трубчатого теплообменника.

Пользуясь (1.1), находим :Q = G2 · (cp2·( t˝2 - t´2)) = 35кгс · 4,19кДжкг∙град · (900 - 600) = 4399.5 кДжс;G1 = Q / (cp1·( t˝1 - t´1)· ηпот) = 4399,5 кВт4,25кДжкг∙град∙(1500-1000)·0,97 = 21,3 кгс.Определение среднего температурного напора.Аналитическую оценку среднего температурного напора для теплообменников с противотоком и сложными формами движения производим по формуле :Δt = εΔt · Δtпр(1.3)где Δtпр – средний температурный напор для прямоточного теплообменника ;εΔt – поправочный коэффициент, который зависит от двух вспомогательных величин – P и R.Δtпр = ( Δtб – Δtм) / ln(Δtб / Δtм) при Δtб / Δtм >1,8и Δtпр = ( Δtб + Δtм) / 2 при Δtб / Δtм <1,8(1.4)Δtб и Δtм – соответственно, большая и меньшая разности температур теплоносителей;P = ( t˝2 - t´2) / (t´1 - t´2)(1.5)R = ( t´1 - t˝1)/ (t˝2 - t´2)(1.6)Вычисляем Δtб = t´1 - t˝2 = 1500 - 900 = 600С , Δtм = t’2 – t”1 = 1000 - 600 = 400СТаким образом Δtб / Δtм = 60 / 40 = 1,5 <1,8и по формуле (1.4) находим Δtпр = (600 + 400) / 2 = 500С.Определение коэффициента теплопередачи.Определение ориентировочного значения коэффициента теплопередачи Кор производим по таблице 2.1 Методики : для вида теплообмена «от воды к воде» с учетом вынужденного движения теплоносителей получаем ряд значений Кор = 800-1700. Считая, что течение воды в трубном и межтрубном пространстве будет иметь турбулентный характер, выбираем для предварительного расчета Кор = 1000. Определение площади поверхности теплообменника.На основании найденных значений коэффициента теплопередачи Кор и среднего температурного напора Δt, определяем площадь рабочей поверхности теплообменного аппарата по формуле :Fор = Qk·∆t (1.22)Fор = 4399500 Вт1000Втм2·град·50℃ = 88м2.ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА.Выбор типа теплообменного аппарата.По таблице П1 выбираем теплообменный аппарат с площадью поверхности теплообменника Fн = 93м2 (примерно равной величине Fор = 88м2). Этот теплообменник имеет следующие параметры :- диаметр кожуха Dкож = 600 мм;- латунные трубы размером dн х δст = 20мм х 1,5мм;- длина трубы L = 4м;- общее количество труб n = 370;- количество ходов z = 2;- площадь самого узкого сечения потока в межтрубном пространстве Sм тр = 0,041 м2;- площадь сечения одного хода по трубам Sтр = 0,042 м2 (определяем его пересчетом по формуле : Sтр = π·( dн - 2δст)2·n /(4·z) = π·0.0172·370 /(4·2));- диаметр условного прохода штуцеров для трубного пространства dшт тр = 200мм;- диаметр условного прохода штуцеров к межтрубному пространству dшт м тр = 200мм;- число сегментных перегородок в кожухотрубчатом теплообменнике х = 4.Примечание. Греющую воду как более коррозионноактивную, находящуюся под большим давлением и тепловым напором, направим в латунные трубы, а нагреваемую воду – в межтрубное пространство.Теперь произведем поверочный расчет выбранного теплообменного аппарата с целью определения – насколько точно выполняются все заданные требования. Основным критерием определения правильности выбора теплообменника будем использовать разницу между площадью его поверхности теплообмена Fн = 93м2 и вновь рассчитанной в поверочном расчете потребной площадью Fрасч , которая необходима в условиях протекания термодинамических процессов, реализуемых в конструкции теплообменника, для обеспечения всех требований, указанных в задании. В том случае, если окажется Fрасч > Fн или Fрасч << Fн , выбор теплообменного аппарата необходимо будет повторить.2.2 Уточнение среднего температурного напора.Соответствующий поправочный коэффициент εΔt рассчитываем с помощью двух вспомогательных величин – P и R :P = ( t˝2 - t´2) / (t´1 - t´2) = (90-60) / (150-60) = 30 / 90 = 0,33R = ( t´1 - t˝1) / (t˝2 - t´2) = (150-100) / (90-60) = 50 / 30 = 1,67С помощью графика, показанного ниже, по этим данным определяемεΔt ≈ 0,95, соответственно, Δt = εΔt · Δtпр = 0,95*500 = 47,50.2.3 Определение коэффициента теплопередачи в трубном пространстве теплообменника.Вначале определяем число Рейнольдса для потока воды в трубном пространстве теплообменного аппарата :Reт = wт·dвнνт= G1·4π·dв∙(nz)μт , где wт- скорость течения воды в трубах, wт= G1Sт∙ρ1 = G1π·dв24∙nz∙ρ1 = G1∙4dв2∙π∙n∙ρ1z, dв – внутренний диаметр трубы, dв = dн - 2·δст = 0,020 - 2·0,0015 = 0,017м, Таким образом, Reт = 21,3·4π·0,017·3702∙0.0002215=38931Определяем число Прандтля для потока воды в трубах :Prт= c1∙μ1λ1 = 4250∙0.00022150.686 = 1,37.Поскольку процесс течения воды в трубах является турбулентным (Reт >10000), то коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся по трубам, находим по формуле :αт = Nu1∙λ1dв .Число Нуссельта находим по формуле :Nu1= 0.021∙Reт0,8∙Prт0,4∙(PrтPrст)0,25, где Prст= Pr´1 = 1,75αт = 0,021·389310,8∙1,370,4∙(1,37/1,75)0,25∙0,6860,017 = 0,021∙4701,5∙1,13∙0,94∙0,6860,017 = 4232Втм2∙К02.4 Определение коэффициента теплопередачи в межтрубном пространстве теплообменника.Число Рейнольдса для потока воды в межтрубном пространстве теплообменного аппарата находим через площадь минимального сечения потока воды Sм тр :Reмт = wмт·dнνмт= G2·dнSмт·μмт , где wмт- скорость течения воды в межтрубном пространстве, wмт= G2Sмт∙ρ2 , dн – наружный диаметр трубы, Таким образом, Reмт = 35·0,020,041∙0.000381=44811Определяем число Прандтля для потока воды в трубах :Prмт= c2∙μ2λ2 = 4190∙0.0003810.6715 = 2,38.Поскольку процесс течения воды в трубах является турбулентным (Reмт >1000), то коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся в межтрубном пространстве, находим по формуле :αмт = Nu2∙λ2dн .Здесь число Нуссельта находим по формуле :Nu2= 0.24∙Reмт0,6∙Prмт0,36∙(PrмтPrст)0,25, где Prст= Pr´2 = 1,75αмт = 0,24·448110,6∙2,380,36∙(2,38/1,75)0,25∙0,67150,020 = 0,24∙618∙1,37∙1,08∙0,67150,020 = 7368Втм2∙К02.5 Определение коэффициента теплопередачи в теплообменном аппарате.