ТЕПЛООБМІННІ АПАРАТИ. Теоретичні положення і приклад розрахунку кожухотрубного теплообмінника

ТЕПЛООБМІННІ АПАРАТИ.

 

Теоретичні положення і приклад розрахунку
кожухотрубного теплообмінника.

 

Потужність теплового потоку гріючого теплоносія, кВт:

                                                    ,                                       (2.1)

де  - масова витрата гріючого теплоносія, кг/с;  - питома теплоємність, яку визначають за температурою, кДж/(кг·К)

Визначальна температура гріючого теплоносія, ºС:

=0.5;                                        (2.2)

а теплоносія, що нагрівається:

=0.5.                                       (2.3)

Площа перерізу для проходу теплоносія, м²:

у трубах:

;                                      (2.4)

у міжтрубному просторі:

.                                              (2.5)

Швидкість теплоносія, м/с:

,                                                     (2.6)

де       - густина теплоносія за визначальної температури.

Критерій Рейнольдса:

,                                                  (2.7)

де       - визначальний розмір для тепловіддачі в трубках, м;

 - те саме для міжтрубного простору, м.

Критеріальні рівняння теплообміну:

Ламінарний режим ():

;                       (2.8)

де  – критерій Нуссельта; ,  - коефіцієнт тепловіддачі, Вт/м²·К;  - коефіцієнт теплопровідності теплоносія, Вт/м·К; - критерій Грасгофа, ;  - коефіцієнт кінематичної в’язкості, м²/с;  - коефіцієнт об’ємного розширення, 1/К;  - перепад температур між стінкою і середовищем, ⁰С;  - критерій Прандталя відповідно за визначальної температури теплоносія і за температури стінки;

перехідний режим ():

;                        (2.9)

турбулентний режим ():

     .                            (2.10)

Коефіцієнт теплопередачі для багатошарової стінки, Вт/м²·К:

                                  (2.11)

Середній температурний напір, ⁰С:

, якщо ,                   (2.12)

де  - відповідно найбільша і найменша різниця температур;

, якщо .               (2.13)

Потужність теплового потоку під час теплопередачі, Вт:

                                                                                                    (2.14)

де  - площа тепловіддаючої поверхні, м².

Приклад. У теплообміннику підігрівається вода. Первинна (гаряча) вода проходить через  латунних трубок ( мм,  мм,  Вт/м·К) і охолоджується від ºС до ºС. Вторинна вода проходить вздовж трубок, розташованих у кожусі діаметром  мм і нагрівається від  ºС до  ºС. Тепловий потік через поверхню нагрівання  кВт.

Визначити необхідну площу поверхні нагрівання для передачі теплового потоку при наявності шару накипу на трубках товщиною  мм,  Вт/м·К, а також за його відсутності (для протитечії і прямотечії).

 

Витрата гарячої води з (2.1):

 кг/с.

Визначальна температура гріючого теплоносія за (2.2):

=0.5=0.5= 115 ºС.

Питома теплоємність за  -  кДж/(кг·ºС).

Витрата вторинної води:

 кг/с.

Визначальна температура теплоносіїв, що нагріваються, за (2.3).

Питома теплоємність за  кДж / кг/ºС.

Площа перерізу для проходу теплоносія:

у трубах за (2.4):

 м²;

у міжтрубному просторі за (2.5):

 м².

Швидкості теплоносіїв за (2.6):

 м/с;

 м/с.

Фізичні параметри:

первинної води:

 м²/с;  Вт/м ºК;
;  кг/м³;

вторинної води:

 м²/с;  Вт/м ºК;
;  кг/м³.

Критерій Рейнольдса за (2.7)

;

;

 

де                                    м.

Критерій Нуссельта в першому наближенні за (2.10)

;

 м;

 м.

Інтенсивність теплопередачі за (2.11):

за відсутності накипу:

 Вт/м²∙К;

за наявності накипу:

 Вт/м²∙К.

Середній температурний напір:

за прямотечії:

 ºС;

за протитечії:

 ºС.

Площа тепловіддавальної поверхні за (2.14):

за прямотечіі, з накипом на трубах:

 м²;

за прямотечії, без накипу:

 м²;

за протитечії, з накипом:

 м²;

за протитечії, без накипу:

 м².

Довжини трубок:

 м;

 м;

 м;

 м.

 

Таблиця 2.1

Но-мер варіа-нта	Діа-метр ко-жуха, D, м	Температура першого теплоносія, ºC.		Кіль-кість труб,	Діа-метр труб , мм	Температура другого тепло- носія, ºC		Потуж- ність теп- лового потоку , кВт	Матеріал труб	Теплоносій		Тов-щина шару наки-пу , мм	Коефі- цієнт тепло- провід-ності , Вт/(м·К)
		На вході,	На ви-ході							Між труб-ний простір	Труб-ний прос-тір
1	0,16	95	65	70	10/12	15	35	1000	Сталь	Вода	Вода	0,05	2,0
2	0,17	150	120	68	10/14	20	40	500	Латунь	Повітря	Вода	0,10	1,9
3	0,18	90	60	66	12/14	25	45	900	Бронза	Вода	Вода	0,15	2,1
4	0,19	140	110	64	12/16	30	50	400	Алюміній	Повітря	Вода	0,20	1,8
5	0,20	95	75	62	14/16	35	55	800	Сталь	Вода	Вода	0,05	2,2
6	0,21	130	100	60	14/18	40	60	300	Латунь	Повітря	Вода	0,10	1,7
7	0,22	90	80	58	15/17	45	65	700	Бронза	Вода	Вода	0,15	2,3
8	0,23	120	90	56	15/19	50	70	200	Алюміній	Повітря	Вода	0,20	1,6
9	0,24	75	60	54	13/15	20	50	600	Сталь	Вода	Вода	0,15	2,4
10	0,25	110	80	50	13/17	30	40	100	Латунь	Повітря	Вода	0,10	1,5

Оптимальні умови теплообміну – організація протитечії теплоносіїв за відсутності накипу на трубах.

Завдання. За даними таблиці 2.1 розрахувати горизонтальний кожухотрубний теплообмінник. Розрахунок зробити для прямотечії і протитечії теплоносіїв.