Розрахунок

Схематичне зображення теплообмінника показано на рис.10.1.

Вода через штуцер 1 надходить у внутрішній простір трубок першої секції теплообмінника, потім по перехідному коліну направляється у внутрішній простір трубок другої секції теплообмінника і виходить через штуцер 2. Гаряча вода надходить через штуцер 3 у міжтрубний простір першої секції теплообмінника, потім по перехідному патрубку 5 вона направляється у міжтрубний простір другої секції теплообмінника і виходить через штуцер 4.

У теплообміннику шляхом теплопередачі здійснюється одночасний перенос теплотиконвекцією і теплопровідністю від гарячої до холодної води.

Теплова продуктивність теплообмінника визначається за рівнянням теплового балансу,

Q = G ₂× c ₂×(t ₂^к – t ₂^п) = 20 × 4,174 × (70 – 10) = 5008,8 кВт,

де c ₂ – теплоємність теплоносія, кДж/(кг×К).

Рис. 10.1. Водоводяний теплообмінник:

1 – штуцер входу холодної води; 2 - штуцер виходу холодної води; 3 - штуцер входу гарячої води; 4 - штуцер виходу гарячої води; 5 – перехідний патрубок; 6 - трубки теплообмінника; 7 - коліно; 8 – корпус; 9 – трубна решітка; 10 – фланець; 11 - прокладка; 12 - міжтрубний простір; 13 – трубний простір.

Теплоємність холодної води визначається по середній температурі ` t ₂= 0,5×(t ₂^к + t ₂^п) = 0,5×(70 + 10) = 40 ^оС по табл.15 додатку, c ₂ =4,174 кДж/(кг×К).

Теплоємність гарячої води визначається по середній температурі первинного теплоносія` t ₁ = 0,5×(t ₁^п + t ₁^к) = 0,5×(150 + 100) = 125 ^оС. По табл.20 додатку шляхом інтерполяції визначаємо c ₁=4,258 кДж/(кг×К).

Використовуючи рівняння теплового балансу, визначаємо витрату первинного (гарячого) теплоносія

Для визначення кількості трубок в одній секції теплообмінника задаємося швидкістю руху холодної води у трубках w ₂ = 1,5 м/с і визначаємо площу поперечного переріза труб. Для чого використовуємо рівняння нерозривності потоку у виді

G = f × w × r,

де G – витрата теплоносія, кг/с;

f – поперечний переріз потоку, м²;

r – густина рідини, кг/м³.

При ` t ₂ = 40 ^оС r ₂ = 922,2 кг/м³ по табл.20 додатку.

Площа поперечного переріза труб визначається так,

.

Кількість трубок у секції,

По табл.25 додатку знаходимо, що при розміщенні труб по вершинам рівностороннього трикутника найближче число труб відповідне отриманому значенню n = 87 дорівнює 91. Цьому числу труб відповідає діаметр апарата D '=10× s. Приймаємо крок розміщення труб на трубній плиті

s =1,4 × d _з = 1,4 × 16 = 22 мм.

Тоді діаметр апарата D '= 10 × 22 = 220 мм. Внутрішній діаметр корпуса визначимо по співвідношенню

D = D ' + d _з + 2 × k ₁ = 220 + 16 + 2×7 = 250 мм = 0,25 м,

де k ₁ – кільцевий зазор між крайніми трубами і корпусом. Величина k ₁ приймається понад 6 мм, виходячи з конструктивних понять. Приймаємо k ₁ = 7 мм.

При відомій величині внутрішнього діаметра корпуса апарата визначається живий перетин міжтрубного простору і швидкість води в ньому.

Площа живого перетину міжтрубного простору визначається по рівнянню

f_м = 0,785×(D ²– n×d _з²) = 0,785×(0,25²–91×0,016²) = 0,0308 м²

При середній температурі первинного теплоносія (гарячої води) ` t ₁=125^оС по табл.20 додатку визначаємо густину r ₁=939 кг/м³.

Швидкість води в міжтрубному просторі

Оскільки за даними таблиці, число труб, розміщених в одній секції дорівнює 91, а не 87, то необхідно уточнити швидкість руху вторинного теплоносія (холодної води),

Розрахунок коефіцієнта тепловіддачі від гарячої води до стінки труби (міжтрубний простір)

Теплота від гарячої води у міжтрубному просторі до труб передається за рахунок вимушеної конвекції. Визначаємо режим руху води в міжтрубному просторі, для чого знаходимо величину числа Re₁

де d_е – еквівалентний діаметр, м;

n – кінематична в'язкість гарячої води при середній її температурі, м²/с.

Еквівалентний діаметр

При `` t ₁ = 125^оС n ₁ = 0,243×10^-6 м²/с по табл.20 додатку.

Отримане число Re₁=79506>Re _кр =1×10⁴, отже, режим руху рідини в міжтрубному просторі турбулентний. При турбулентному русі рідини коефіцієнт тепловіддачі розраховується по критеріальному рівнянню

За визначальний розмір приймається еквівалентний діаметр міжтрубного простору, а за визначальну температуру – середньоарифметичну температуру гарячої води, яка дорівнює t ₁=125^оС. По табл.20 додатку визначаємо теплофізичні константи первинного теплоносія: l ₁=68,6×10^-2 Вт/(м×К), Pr _{р 1}=1,42. Величиною зовнішньої температури стінки необхідно задатися. Орієнтовно, в першому наближенні, слід задаватися температурою стінки в межах від середньої температури гарячої води до середньої температури холодної води, тобто від ` t <sub>1</sub>=125<sup>о</sup>С до` t ₂ =40^оС.

Задаємося t_{с 1}=95^оС. При t_{с 1}=95^оС Pr _{с 1}=1,85. Визначимо значення числа Nu₁

Оскільки , то коефіцієнт тепловіддачі,

.

Розрахунок коефіцієнта тепловіддачі від стінки до холодної води (внутрішній простір труб)

Визначимо режим руху вторинного теплоносія, для чого знайдемо значення числа Рейнольдса,

При ` t ₁ = 40 ^оС n ₂ = 0,659×10^-6 м²/с по табл.20 додатку.

Оскільки Re₂=30592>1×10⁴, тому режим руху турбулентний.

Для розрахунку коефіцієнта тепловіддачі від стінки до холодної води визначаємо теплофізичні константи холодної води. Перепад температур від t _с1 до t _с2 приймаємо рівним 32^оС.

Тоді t_{с 2}=95-32=63^оС. При t_{с 2}=63^оС Pr _{с 2}=2,85; при ` t ₂=40^оС Pr _{р 2}=4,31; l ₂=63,5×10^-2 Вт/(м×К), (табл. 20 додатку)

Число Nu₂

Коефіцієнт тепловіддачі a ₂ від стінки труби до холодної води