Тема 5.Расчёты теплообменных аппаратов

Задача №26

В противоточном водяном маслоохладителе (МО) двигателя внутреннего сгорания масло охлаждается от 65⁰С до 55⁰С. Температура охлаждающей воды на входе и на выходе соответственно равны 16⁰С и 25⁰С. Расход масла 0,8 кг/с

Дано:

- температура масла на входе в МО t = 65⁰C;

- температура масла на выходе из МО t =55⁰C;

- температура воды на входе в МО t =16⁰C;

- температура воды на выходе из МО t = 25⁰C;

- расход масла W_m = 0,8 кг/с;

- коэффициент теплопередачи МО K = 280 ;

- удельная теплоёмкость масла C ;

- удельная теплоёмкость воды C .

Требуется:

- определить расход охлаждающей воды W_{в, ;}

- определить площадь поверхности маслоохладителя F, м²

Решение

1. Тепловая мощность маслоохладителя Q = W_м · C · t_м, Вт

где t_м = t - t = 65 – 55 = 10⁰С

Q = 0,8 · 2,45 · 10³ · 10 = 19600 Вт

2. Расход охлаждающей воды W_в = ,

t_в = t - t = 25 – 16 = 9⁰C

W_в =

3. Площадь поверхности маслоохладителя F, м

F = , м²

- средний температурный напор, который для прямотока, противотока или перекрёстного движения сред находится по формуле: , ⁰С

где и - большая и меньшая разность температур по концам аппарата работающего в противоточном режиме. (см. Рисунок)

Рисунок. Движение теплоносителей в противоточном аппарате

Если отношение ,то можно использовать среднеарифметическое значение температур

В нашем случае: ⁰C

Тогда F=

Литература: [7, с 137-138]

Задача №27

В противоточном маслоохладителе (МО) на электрической станции охлаждается трансформаторное масло в количестве W_v = 0,5 от t = 95⁰C до t = 40⁰C. Охлаждающая вода нагревается от t =12⁰С до t = 50⁰С. Трубки МО занесены шламом со стороны масла и ржавчиной со стороны воды.

Дано:

Коэффициенты теплоотдачи, :

- со стороны масла ;

- со стороны воды .

Толщина стенки трубок МО

Стенки трубок покрыты слоями ржавчины и масляными отложениями толщиной и по 0,5 мм.

Коэффициент теплопроводности,

- сталь 20 ;

- ржавчина ;

- масляный шлам ;

- удельная теплоёмкость масла ;

- удельная теплоемкость воды ;

- плотность масла .

Требуется:

- определить расход охлаждаемой воды W_в,

- определить площадь поверхности теплообмена МО F, м²

Рис. 1 Схема теплообмена в маслоохладителе

Рис. 2 Движение теплоносителей в МО − противоток

Решение:

1. Тепловая мощность маслоохладителя Q = W_m · C · , Вт (1)

Массовый расход масла будет равен W_m = W_v · =

Перепад температур масла в МО

Тогда Q = 0,116 · 2,1 · 10³ · 55 = 13400 Вт

2. Расход охлаждающей воды: (2)

Перепад температур охлаждающей воды в МО

3. Площадь поверхности теплообмена в МО определяется из формулы:

Q = K · F · ∆t_ср, В

F = , м²

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

(3)

∆t_ср = (4)

- средний температурный напор в МО

∆ , - больший и меньший перепад температур по концам МО

∆ = − =95 – 50 = 45⁰С

= − = 40 – 12 = 28⁰С

Если отношение , тогда ∆t_ср =

Площадь поверхности F будет равна: F =

Литература: [9, с.96, с.102, с.109]

Задача №28

В воздухоподогревателе парового котла с перекрёстным током воздух нагревается от 23⁰С до 250⁰С, а дымовые газы охлаждаются от 420⁰С до 180⁰С. Определить передаваемую в воздухоподогревателе тепловую мощность и поверхность нагрева, если коэффициент теплопередачи 21 и расход дутьевого воздуха 60000 . Поправочный коэффициент к среднему температурному напору для перекрёстного тока принять равным 0,9.

Рисунок 1 Схема воздухоподогревателя парового котла.

1 - дымовые газы из котла;

2 – газы в дымовую трубу;

3 – воздух из дутьевого вентилятора в подогреватель;

4 – воздух в топку котла из подогревателя.

∆t_б=∆t −

∆t_м = t − t

Рисунок 2 Схема перекрёстного теплообмена.

Дано:

- температура воздуха на входе в подогреватель ;

- температура воздуха на выходе из подогревателя ;

- температура газа на входе в подогреватель ;

- температура газа на выходе из подогревателя ;

- коэффициент теплопередачи воздухоподогревателя K=21 ;

- расход дутьевого воздуха G_v=60000 ;

- поправочный коэффициент теплообмена с поперечным током ε = 0,9.

Требуется:

- определить тепловую мощность воздухоподогревателя, Q, Вт

- определить площадь поверхности подогревателя F, м²

Решение:

1. Тепловая мощность, передаваемая от дымового газа к воздуху, определяется по формуле: , Вт

2. Определим среднюю теплоёмкость воздуха в подогревателе по формуле [7, с 48]:

где =1038 – теплоёмкость воздуха при = 250⁰С [П, Табл. 8]

=1005 - теплоёмкость воздуха при = 23⁰С

Тогда

Разность температур воздуха

= − ; = 250 − 23 = 227⁰С

3. Найдём массовый расход дутьевого воздуха G_m

G_m = G_v · ρ,

Здесь G_v = – объёмный расход воздуха

ρ = 1,19 − плотность воздуха при =23⁰С [П, Табл.8]

G_m = 16,66 · 1,19 = 19,8

Тепловая мощность, передаваемая в воздухоподогревателе

Q=19,8 · 1041 · 227 = 4678800 Вт = 4678,8 кВт

4. Определим площадь поверхности подогревателя.

Q = K · F · ∆t_ср, Вт

Найдём значение среднего температурного напора ∆t_ср

∆t_ср = f (∆t_б, ∆t_м), ⁰С

где ∆t_б = t − t = 420 – 23 = 397⁰С – максимальная разность температур на входе теплоносителей в подогреватель.

∆t_м = t − t = 250 – 180 = 70⁰С − минимальная разность температур на выходе теплоносителей из подогревателя ∆t_ср =

Средний температурный напор с учётом поправочного коэффициента ε = 0,9

∆t_ср = 189 · 0,9 = 170⁰С

Площадь поверхности воздухоподогревателя

Литература [7, с 48,138, П, Табл. 8]

Задача №29

Определить площадь поверхности нагревательных приборов (радиаторов) системы отопления в помещении для поддержания в нём нормированной температуры воздуха t_в = 22⁰С

Дано:

- объёмный расход сетевой воды W_v = 0,36 ;

- температура воды на входе в радиатор ;

- температура воды на выходе из радиатора ;

- температура воздуха в нижней части радиатора ;

- температура воздуха в верхней части радиатора ;

- коэффициент теплоотдачи от воды к стенке трубы ;

- трубопровод из Ст20 диаметром ø 42 3 мм;

- коэффициент теплопроводности Ст20 ;

- толщина солевых отложений ;

- коэффициент теплопроводности мягких солевых отложений .

Рисунок 1.Схема теплообмена сетевого трубопровода

Рисунок 2. Схема противотока в радиаторе

Решение:

1. Тепловой поток системы отопления в помещении

Q_от = W_m · C_p · ∆t, Вт

где C_p = 4,19 · 10³ – удельная теплоёмкость воды при t = 80⁰C

∆t = - = 80 – 70 = 10⁰C

W_m = W_v · =

= 971,9 - плотность воды при t =

Тогда Q_от = 0,0972 · 4,19 · 10³ · 10 = 4077,5 Вт

2. Площадь поверхности радиаторов , м²

Коэффициент теплопередачи

Коэффициент определим по формуле:

= 8,1 + 0,045∆t, - для трубопроводов внутри помещения

= 8,1 + 0,045 · (22 - 21) = 8,145

∆t_ср = - средний температурный напор

Тогда м²

Вопрос. Как изменится площадь радиаторов, если трубы будут очищены или заменены на новые?

Ответ. Если не будет солевых отложений и трубы будут чистыми, то коэффициент теплопередачи увеличится.

Площадь радиаторов уменьшится м²

Уменьшение площади составит Δ = 100% -

Литература: [9, с.13 - 15]

Задача №30

Определить тепловую мощность автомобильного радиатора, в котором происходят охлаждение воды окружающим воздухом по перекрёстной схеме теплообмена.

Дано:

- расход воды в радиаторе W_m = 0,42 ;

- удельная теплоёмкость воды C_p = 4,19 · 10^{3 ;}

- температура воды на входе в радиатор t = 88⁰C;

- температура воды на входе из радиатора t =62⁰C;

- температура воздуха на входе в реактор t =24⁰C;

- температура воздуха на входе из радиатора t = 35⁰C

- площадь поверхности радиатора F = 5м².

- поправочный коэффициент при перекрёстной схеме теплообмена ε = 0, 6

t =62⁰С

=27⁰С

=24⁰С =35⁰С

=64⁰С

t =88⁰С

Рисунок. Перекрёстная схема теплообмена радиатора.

Решение:

1. Тепловая мощность радиатора Q = W_m · C_p · ∆t, Вт

∆t = t = t = 88 - 62 = 26⁰C

Q = 0,42 · 4,19 · 10³ · 26 = 45755 Вт

2. Коэффициент теплопередачи

Средний температурный напор ⁰С

⁰С

⁰С

Средний температурный напор при перекрёстной схеме теплообмена

ε = 43 · 0,6 = 25,8⁰С

Тогда К =

Литература: [9, с.13-15]

Задача № 31

В газоводяном теплообменнике нагревается питательная вода. Греющая среда – отработанный в парогенераторе газ. Определить площадь поверхности нагрева аппарата, если он выполнен по прямоточной или по противоточной схемам.

Учесть загрязнение поверхностей труб со стороны газа слоем масленых отложений, со стороны воды солёной накипью.

Дано:

– температура газа на входе ;

– температура газа на выходе ;

– температура воды на входе ;

– температура воды на выходе ;

– коэффициент теплоотдачи от газа к трубам ;

– коэффициент теплоотдачи от труб к воде ;

– расход воды в аппарате W_т = 2000 ;

– толщина масляных загрязнений ;

– толщина стенок трубопровода ;

– толщина слоя накипи ;

– коэффициент теплопроводности масляных загрязнений ;

– коэффициент теплопроводности труб из Ст 20 ;

– коэффициент теплопроводности солевой накипи ;

– средняя удельная теплоёмкость воды C_p = 4,22 · 10³ .

t =350ºC t =350ºC

Δt_м=150ºC

t =250ºC t =200ºC

Δt_б=320ºC Δt_м=50ºC

t =200ºC t =250ºC

Δt_б=220ºC

t =30ºC t =30ºC

Рисунок 1 Прямоточная Рисунок 2 Противоточная

схема теплообмена. схема теплообмена.

Решение

1. Прямоточная схема теплообмена, Рисунок 1. Площадь поверхности нагрева аппарата F, м²

, м²

Тепловая мощность аппарата Q, Вт

, Вт

Δt = ⁰C – нагрев воды в аппарате

Вт

Коэффициент теплопередачи К,

Средний температурный напор Δt_ср, ⁰С

⁰С

Δt_б =

Δt_м =

Тогда F = м²

2. Противоточная схема теплообмена, Рисунок 2. Площадь поверхности нагрева аппарата F, м²

, м²

Средний температурный напор Δt_ср, ⁰С

⁰С

Тогда F₁ = м²

Вывод: Площадь поверхности нагрева воздухоподогревателя при противоточной схеме теплообмена уменьшилась на ΔF = F – F₁ = 90,76 – 72.5 = 18,26 м² или на 100% -

Литература: [9, с. 98]

Таблица. Данные для самостоятельных расчётов по вариантам.