Примеры расчета водонагревателей

В качестве конкретного примера, приводятся расчеты водоводяного и пароводяного теплообменников. Исходные данные находятся в таблице 8.1. Задание: провести конструкторский, поверочный и гидравлический расчеты водонагревателей; определить коэффициент удержания тепла; выполнить расчет трубной решетки пароводяного подогоревателя (с вычерчиванием эскиза решетки на формате А4). Водоводяной подогреватель вычерчивается на листе формата А4, пароводяной на формате А2.

Примеры расчетов сведены в таблицы 8.2 и 8.3. В таблицах 8.4÷8.8 приведены справочные материалы, необходимые для выполнения курсового проекта.

Таблица 8.1

Варианты исходных данных к курсовому проекту

Предпоследняя цифра шифра	Давление греющего пара P, МПа	Степень сухости пара Х	Температура греющей воды на	Последняя цифра шифра	Температура нагреваемой воды на	Тепловая нагрузка, Q, кВт
входе, , ºС	выходе, , ºС	входе, , ºС	выходе, , ºС
	0,2	0,88
	0,3	0,89
	0,4	0,90
	0,45	0,91
	0,5	0,92
	0,6	0,93
	0,7	0,94
	0,8	0,95
	0,9	0,96
	1,0	0,97

Исходными данными для расчета водоводяного теплообменника являются:

1. – тепловая нагрузка теплообменника, кВт;

2. – температура греющей воды на входе в теплообменный аппарат, ºС;

3. – температура греющей воды на выходе из теплообменного аппарата, ºС;

4. – температура нагреваемой воды на входе в теплообменный аппарат, ºС;

5. – температура нагреваемой воды на выходе из теплообменного аппарата, ºС;

Исходными данными для расчета пароводяного теплообменника являются:

1. – тепловая нагрузка теплообменника, кВт;

2. – давление греющего пара на входе в теплообменный аппарат, МПа;

3. – степень сухости пара;

4. – температура нагреваемой воды на входе в теплообменный аппарат, ºС;

– температура нагреваемой воды на выходе из теплообменного аппарата, ºС.

Таблица 8.2

Пример расчета водоводяного теплообменника

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Исходные данные
	Тепловая нагрузка	Q	кВт	По заданию
	Температура греющей воды на входе в подогреватель		ºС	-
	Температура греющей воды на выходе из подогревателя		ºС	-
	Температура нагреваемой воды на входе в подогреватель		ºС	-
	Температура нагреваемой воды на выходе из подогревателя		ºС	-
	Средняя температура греющей воды		ºС		0,5(80+170)=125
	Средняя температура нагреваемой воды		ºС		0,5(70+110)=90
	Теплофизические характеристики греющей воды:	Определяются по табл. 8.4
	ρ 1	кг/м3	То же
	λ 1	Вт/м·К	-	68,6·10-2
	ν 1	м2/с	-	0,243·10-6
	Pr 1	-	-	1,42
	Cp 1	кДж/кг·К	-	4,26
	Теплофизические характеристики нагреваемой воды:	Определяются по табл. 8.4
	ρ 2	кг/м3	-
	λ 2	Вт/м·К	-	67,6·10-2
	ν 2	м2/с	-	0,326·10-6
	Pr 2	-	-	1,97
	Cp 2	кДж/кг·К	-	4,208

Продолжение таблицы 8.2

	№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
	Исходные данные
		Средняя температура стенки трубы		ºС		0,5(125+90)=108
		Значение критерия Прандтля для воды	Pr w	Определяется по табл. 8.4	1,65
		Скорость движения воды в трубках	W 2	Принимается согласно в интервале от 0,5 до 3 м/с
		Внутренний диаметр трубок	d вн	м	То же	0,014
		Наружный диаметр трубок	d н	м	-	0,016
		Средний диаметр трубок	d cp	м	0,5(d н + d вн)	0,5(0,014+0,016)= =0,015
		Толщина трубок	δ	м	0,5(d н – d вн)	0,5(0,016-0,014)= =0,001
		Коэффициент теплопроводности материала трубок	λ	Вт/м·К	Определяется в зависимости от материала трубок [3]	105 (для латуни)
		Коэффициент удержания тепла	η	-	Принимается в пределах от 0,97 до 0,98	0,98
		Коэффициент загрязнения	β	-	Определяется по табл. 2.1	0,7
Конструкторский расчет
	Расход греющей воды	G 1	кг/с
	Расход нагреваемой воды	G 2	кг/с
	Среднелогарифмический температурный напор	Δ t ср	ºС

Продолжение табл. 8.2

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
	Площадь проходного сечения трубок	f тр	м2
	Технические характеристики стандартного подогревателя:	Определяются по табл. 8.6
		м2	-	0,0057
		м2	-	0,0122
	Z	шт.	-
	Д в	м	-	0,158
	L	м	-	2 или 4
	Скорость движения воды в трубках		м/с
	Скорость движения воды в межтрубном пространстве		м/с
	Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства	d э	м
	Значение числа Рейнольдса для греющей воды	Re 1	-
	Значение числа Рейнольдса для нагреваемой воды	Re 2	-
	Значение числа Нуссельта для греющей воды	Nu 1	-
	Значение числа Нуссельта для нагреваемой воды	Nu 2	-
	Коэффициент теплоотдачи снаружи трубок	α 1	Вт/м2 К

Продолжение таблицы 8.2

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Конструкторский расчет
	Коэффициент теплоотдачи внутри трубок	α 2	Вт/м2 К
	Коэффициент теплопередачи	k	Вт/м2 К
	Расчетная поверхность нагрева теплообменного аппарата	Fp	м2
	Длина хода воды в трубках	L тр	м
	Число секций	n	шт.		Принимаем 5 секций
	Поверхность нагрева аппарата	F	м2
Поверочный расчет
	Водяной эквивалент первичного теплоносителя		кВт/К
	Водяной эквивалент вторичного теплоносителя		кВт/К
	Число единиц переноса тепла		-
	Отношение водяных эквивалентов		-	-
	Эффективность водоводяного теплообменника		-		0,91
	Тепловая нагрузка		кВт

Продолжение таблицы 8.2

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
	Значения температур теплоносителей на выходе из теплообменника:		ºС     ºС
Гидравлический расчет
	Объемный расход теплоносителя	D	м3/с
	Коэффициент потерь на трение		-
	Линейные потери давления на трение		Па
	Сумма коэффициентов местных сопротивлений (ξi определяется по табл.4.2)		-
	Потери давления в местных сопротивлениях		Па
	Полное гидравлическое сопротивление (С определяется по табл. 4.1)		Па
	Мощность насоса ( определяется по табл.2.20 [6])		Вт

Продолжение таблицы 8.2

Исходные данные для расчета коэффициента удержания тепла
	Температура стенки подогревателя		ºС	Принимается по ср. температуре греющей воды ()
	Температура окружающего воздуха		ºС	Определяется по табл. 8.8
	Коэффициент температурного расширения воздуха		К-1
	Коэффициент кинематической вязкости воздуха		м2/с	Определяется по табл. 8.8
	Коэффициент теплопроводности воздуха		Вт м/К	Определяется по табл. 8.8
	Критерий Прандтля		-	Определяется по табл. 8.8	0,703
	Степень черноты		-	-	0,8
	Коэффициент излучения абсолютно черного тела		Вт м2/ К4	-	5,67
Расчет коэффициента удержания тепла
	Критерий Грасгофа		-
	Критерий Релея		-
	Коэффициенты, зависящие от режима течения жидкости		-	Определяются по таблице 5.1	0,135
	0,333
	Критерий Нуссельта		-

Окончание таблицы 8.2

	Коэффициент теплоотдачи конвекцией		Вт м2/К
	Коэффициент теплоотдачи излучением		Вт м2/К
	Суммарный коэффициент теплоотдачи		Вт м2/К
	Площадь поверхности теплообменника		м2
	Количество теряющегося тепла		кВт
	Коэффициент удержания тепла		-

Таблица 8.3

Пример расчета пароводяного теплообменника

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Исходные данные
	Тепловая нагрузка		кВт	По заданию
	Давление насыщенного пара	P	МПа	-	0,4
	Степень сухости пара	X	-	-	0,9
	Температура нагреваемой воды на входе в подогреватель		ºС	-
	Температура нагреваемой воды на выходе из подогревателя		ºС	-
	Теплота парообразования	r	кДж/кг	Определяются по табл. 8.5
	Температура пара		ºС	-	142,9
	Средняя температура нагреваемой воды		ºС		0,5(70+110)=90
	Средняя температура стенки трубок		ºС		0,5(142,9+90)=116,5
	Теплофизические характеристики воды:	Определяются по (табл. 8.4)
	ρ 2	кг/м3	-
	Cp 2	кДж/кг·К	То же	4,208
	λ 2	Вт/м·К	-	67,60·10-2
	ν 2	м2/с	-	0,326·10-6
	Pr 2	-	-	1,97
	Значение критерия Прандтля для воды	Pr w	-	Определяется по табл. 8.4	1,54
	Средняя температура пленки конденсата		ºС		0,5(142,9+116,5)= =129,7
	Плотность конденсата	ρ	кг/м3	Определяется по табл. 8.4	934,82

Продолжение таблицы 8.3

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Исходные данные
	Коэффициент теплопроводности конденсата	λ	Вт/м·К	-	0,686
	Коэффициент кинематической вязкости конденсата	ν	м2/с	-	0,233·10-6
	Внутренний диаметр трубок	d вн	м	-	0,014
	Наружный диаметр трубок	d н	м	-	0,016
	Средний диаметр трубок	d cp	м	-	0,015
	Толщина трубок	δ	м	-	0,001
	Коэффициент теплопроводности материала трубок	λ	Вт/м·К	Определяется в зависимости от материала трубок [3]	105 (для латуни)
	Скорость движения воды в трубках	W 2	м/с	Принимается согласно в интервале от 0,5 до 3 м/с
	Коэффициент удержания тепла	η	-	Принимается в пределах от 0,97 до 0,98	0,98
	Коэффициент загрязнения	β	-	Определяется по табл. 2.1	0,80
Конструкторский расчет
	Расход пара	G 1	кг/с
	Расход нагреваемой воды	G 2	кг/с

Продолжение таблицы 8.3

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
	Среднелогарифмический температурный напор	Δ t ср	ºС
	Коэффициент теплопередачи	k	Вт/м2 · К	Предварительно задается в пределах от 2500 до 2900
	Число трубок в одном ходе	n 0	шт.
	Длина трубок одноходового теплообменника	L тр	м
	Число ходов воды в аппарате	-	-	Если L тр< 8 м; n = 2 Если L тр> 8 м; n = 4	3,77 < 8 Принимаем n = 2
	Общее число трубок в корпусе	Z	шт.
	Значение Рейнольдса для воды	Re 2	-
	Значение Нуссельта	Nu 2	-
	Коэффициент теплоотдачи внутри трубок		Вт/м2 · К
	Приведенное число трубок в вертикальном ряду	m cp	шт.
	Выражение		-	По рисунку 2.4.	1+1+0,9+0,85+ +0,8+0,76+0,72+ +0,7+0,67=7,4

Продолжение таблицы 8.3

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Конструкторский расчет
	Поправочный коэффициент	у	-
	Коэффициент теплоотдачи от одиночной трубы		Вт/м2 · К
	Коэффициент теплоотдачи от пучка труб	α 1	Вт/м2 · К
	Коэффициент теплопередачи	k	Вт/м2 · К
	Расчетная поверхность нагрева теплообменного аппарата	F р	м2
	Уточненное значение температуры стенки		ºС
	Технические характеристики стандартного теплообменного аппарата:	Определяются по табл. 8.7
	m /	шт.	-	m/ = 8,5
	F Т	м2	-	F Т = 6,3
		м2	-
	Z	шт.	-	Z = 68
	L	м	-	L = 2
	Уточненное значение скорости движения воды в трубках		м/с
	Уточненное значение критерия Рейнольдса		-

Продолжение таблицы 8.3

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Конструкторский расчет
	Уточненное значение коэффициентов теплоотдачи:		Вт/м · К
	Вт/м · К
	Уточненное значение коэффициента теплопередачи	k	Вт/м · К
	Расчетная поверхность нагрева пароводяного теплообменного аппарата	F p	м2
Поверочный расчет
	Водяной эквивалент воды		Вт/ºС
	Число единиц переноса тепла		-
	Эффективность пароводяного теплообменника		-
	Тепловая нагрузка		кВт
	Температура воды на выходе из теплообменника		ºС
Гидравлический расчет
	Объемный расход теплоносителя	D	м3/с
	Коэффициент потерь на трение		-
	Линейные потери давления на трение		Па

Продолжение таблицы 8.3

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
	Сумма коэффициентов местных сопротивлений (ξi определяется по табл.4.2)		-
	Потери давления в местных сопротивлениях		Па
	Полное гидравлическое сопротивление (С определяется по табл. 4.1)		Па
	Мощность насоса ( определяется по табл. 2.20 [6])		Вт
Исходные данные для расчета коэффициента удержания тепла
	Температура стенки подогревателя		ºС	Принимается по температуре пара	142,9
	Температура окружающего воздуха		ºС	Определяется по табл. 8.8
	Коэффициент температурного расширения воздуха		К-1
	Коэффициент кинематической вязкости воздуха		м2/с	Определяется по табл. 8.8
	Коэффициент теплопроводности воздуха		Вт м/К	Определяется по табл. 8.8
	Критерий Прандтля		-	Определяется по табл. 8.8	0,703
	Степень черноты		-	-	0,8
	Коэффициент излучения абсолютно черного тела		Вт м2/ К4	-	5,67

Окончание таблицы 8.3

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Расчет коэффициента удержания тепла
	Критерий Грасгофа		-
	Критерий Релея		-
	Коэффициенты, зависящие от режима течения жидкости		-	Определяются по таблице 5.1	0,135
	-	0,333
	Критерий Нуссельта		-
	Коэффициент теплоотдачи конвекцией		Вт м2/К
	Коэффициент теплоотдачи излучением		Вт м2/К
	Суммарный коэффициент теплоотдачи		Вт м2/К
	Площадь поверхности теплообменника		м2
	Количество теряющегося тепла		кВт
	Коэффициент удержания тепла		-

Таблица 8.4

Физические свойства воды на линии насыщения

t н, ºС	ρ, кг/м3	С р, кДж/кг·К	λ ·102, Вт/м · К	ν ·106, м2/с	Pr
0,1	999,9	4,212	55,1	1,789	13,67
	999,7	4,191	57,4	1,306	9,52
	998,2	4,183	59,9	1,006	7,02
	995,7	4,174	61,8	0,805	5,42
	992,2	4,174	63,5	0,659	4,32
	988,1	4,174	64,8	0,556	3,54
	983,2	4,179	65,9	0,478	2,98
	977,8	4,187	66,8	0,415	2,55
	971,8	4,195	67,5	0,365	2,21
	965,3	4,208	68,0	0,326	1,95
	958,4	4,220	68,3	0,295	1,75
	951,0	4,233	68,5	0,272	1,60
	943,1	4,250	68,6	0,252	1,47
	934,8	4,266	68,6	0,233	1,36
	926,1	4,287	68,5	0,217	1,26
	917,0	4,313	68,4	0,203	1,17
	907,4	4,346	68,3	0,191	1,10
	897,3	4,380	67,9	0,181	1,05
	886,9	4,417	67,4	0,173	1,00
	876,0	4,459	67,0	0,165	0,96
	863,0	4,505	66,3	0,15	0,43

Таблица 8.5

Параметры насыщенного водяного пара

P, мПа	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
t, ºС	99,64	120,23	133,53	143,62	151,84	158,84	164,96	170,42	175,35	179,88
r, кДж/кг

Таблица 8.6

Технические характеристики водоводяных подогревателей
по отраслевым стандартам ОСТ 34-588-68