Расчет теплообменника

ВведениеТеплообменник - это устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя теплоносителями, имеющими различные температуры.Теплообменные аппараты очень распространены. В широком смысле слова к теплообменным относят все аппараты, в которых осуществляется обмен теплотой между греющей и нагреваемой средами.Теплообменные аппараты бывают трех видов: рекуперативные (поверхностные), регенеративные и смесительные.Рекуперативный теплообменник — теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, в стенке между которыми происходит теплообмен. В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.Регенеративным называется теплообменник - это теплообменник, в котором одна и та же поверхность поочередно омывается то горячим, то холодным теплоносителями. При соприкосновении с горячим теплоносителем стенка аккумулирует теплоту, а затем отдает ее холодному теплоносителю. Для удовлетворительной работы теплообменника его рабочие стенки должны обладать значительной теплоемкостью. Режим теплообмена в регенеративных теплообменниках нестационарный. Чтобы процесс теплообмена протекал непрерывно при одинаковой продолжительности периода нагрева и охлаждения, такой теплообменник должен иметь две параллельно работающие секции.Смесительный теплообменник (или контактный теплообменник) - это теплообменник, предназначенный для осуществления тепло- и массообменных процессов путем прямого смешивания сред (в отличие от поверхностных теплообменников). Наиболее распространены пароводяные струйные аппараты ПСА - теплообменники струйного типа, использующие в своей основе струйный инжектор. Смесительные теплообменники конструктивно устроены проще, нежели поверхностные, более полно используют теплоту. Однако пригодны они лишь в случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.ЧАСТЬ 1. Расчет водоводяного теплообменника типа «труба в трубе»Определить поверхность нагрева и число секций водоводяного теплообменника типа «труба в трубе». Греющая вода двигается по внутренней стальной трубе λст=45 Вт/м∙К с диаметром d2/ d1= 38/33 мм и имеет температуру на входе tж1'=88°C. Расход греющей воды G1=2000 кг/ч. Нагреваемая вода двигается противотоком по колцьцевому каналу между трубами и нагревается от tж2'=8°C до tж2''=40°C. Внутренний диаметр внешней трубы D = 57 мм. Расход нагреваемой воды G2=3650 кг/ч. Длинна одной секции теплообменника l=1,75 м. Потерями теплоты через внешнюю поверхность теплообменника пренебречь. CP=4,20723 кДж/кг∙К , Количество передаваемой теплоты:Q=G2∙Cp∙tж2"-tж2'/1000=3650∙4,20204∙40-8=490,1 кВт Температура греющей воды на выходе:tж1"=tж1'-QG1∙Cp1=88-490,1∙1032000∙4,20204=30 ℃Находим средние арифметические значения температур теплоносителей и значения физических свойств воды при этих температурах:tж1=0,5∙tж1'+tж1"=0,5∙88+30=59 ℃При этой температуре: ρж1=983,7 кгм3 νж1=0,486∙10-6 м2с λж1=0,638 Втм∙К Prж1=3,48 tж2=0,5∙tж2'+tж2"=0,5∙8+40=24 ℃При этой температуре: ρж2=997,2кгм3, νж2=0,926∙10-6 м2с λж2=0,607 Втм∙К Prж2=6,38Скорости движения теплоносителей:ω1=4∙G1ρж1∙π∙d12∙3600= 4∙2000983,7∙3,14∙0,0332∙3600=0,660ω2=4∙G2ρж2∙π∙(D22-d22)∙3600= 4∙3650997,2∙3,14∙(0,0572-0,0382)∙3600=0,717Число Рейнольдса для потока греющей воды:Reж1=ω1∙d1νж1=0,66∙0,0330,486∙10-6=4,48∙104Режим течения греющей воды – турбулентной, и расчет числа Нуссельта и коэффициента теплоотдачи:Nuж1=0,021∙Reж10,8∙Prж10.43∙Prж1Prс10,25Так как температура стенки неизвестна, то в первом приближении задаемся значениемtс1=0,5∙tж1+tж2= 0,5∙59+24=42 ℃При этой температуре Prс1=4,16 , тогдаNuж1= 0,021∙4,48∙1040.8∙3,480.43∙3,484,160.25=180,61Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке трубы:α1= Nuж1∙λж1d1= 180,61∙0,6380,033=3,49∙103 Втм2∙КЧисло Рейнольдса для потока нагреваемой воды:Reж2=ω2∙dэνж2= 0,717∙(0,057-0,038)0,926∙10-6=1,471∙104dэ=D-d2 эквивалентный диаметр для кольцевого канала.Приняв в первом приближении tc1≈tc2 Prс2≈Prс1 получим Nuж2=0,021∙Reж20,8∙Prж20.43∙Prж2Prс20,25Nuж2=0,021∙1,471∙1040,8∙6,380.43∙6,384,160.25=111,84Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемой среде:α2= Nuж2∙λж2dэ=111,84∙0,6070,019=3,57∙103 Втм2∙ККоэффициент теплоотдачи:∆tб=88-40=48 ℃∆tм=30-8=22℃∆t= ∆tб-∆tмln∆tб∆tм=48-22ln4822=33,3 ℃Kl=11d1∙α1+12∙λcтlnd2d1+1d2∙α2Kl=110,033∙3,49∙103+12∙45ln0,0380,033+10,038∙3,57∙103=56,7 Втм∙КПлотность теплового потока:q=Kl∙∆td2=56,7∙33,30,038=49,72∙103 Втм2Поверхность нагрева:F= d2∙Q∙1000Kl∙∆t=0,038∙490,1∙100056,7∙33,3=9,85 м2 Число секций:n= Fπ∙d1∙l=9,853,14∙0,033∙1,75=55Температура стенок труб:tс1=tж1-qα1=59-49,72∙1033,49∙103=44,7 ℃tс2=tж2+qα2=24+49,72∙1033,57∙103=38 ℃При этих температурах Prс1=3,94 и Prс2=4,53 и поправки на изменения физических свойств жидкости по сечению потока имеют следующие значения:Prж1Prс10,25=3,483,940,25=0,969 было принято при расчете Prж1Prс10,25=3,484,160,25=0,956Погрешность составляет 1,3 %Prж2Prс20,25=6,384,530,25=1,089 было принято при расчете Prж1Prс10,25=6,384,160,25=1,112Погрешность составляет 2,1 %Погрешность вполне допустима, поэтому можно принять, что F=9,85 м2 и n=55 ЧАСТЬ 2. Расчет змеевикового экономайзера парового котла.Определить поверхность нагрева и длину отдельных секций и змеевиков (змеевикового экономайзера) парового котла, предназначенного для подогрева питательной воды в количестве G2=200 т/ч от температуры tж2'=140℃ до tж2''=310℃. Вода двигается снизу вверх по стальным трубам () диаметром d1d2=0,0330,038 мм со средней скоростью ω2=0,75 м/с. Дымовые газы (13% и 11% ) двигаются сверху вниз в межтрубном пространстве со средней скоростью в узком сечении трубного пучка ω1=11 м/с. Расход газов G1=500 т/ч, температура газов на входе в экономайзер tж1'=860℃. Трубы расположены в шахматном порядке с шагами поперёк потока газов и вдоль потока газов .Определяем среднюю арифметическую температуру воды:tж2=0,5∙tж2'+tж2''=0,5∙140+320=230℃При этой температуре физические свойства воды равны соответственно:ρж2=827,3кгм3 νж2=1,45∙10-5 м3с λж2=0,637 Втм∙К Сpж2=4,681кДжкг∙К Prж2=0,88Находим количество передаваемой теплоты:Q=G2∙Cp2∙tж2"-tж2'=200∙10003600∙4,681∙320-140=46810 кВтНаходим число Рейнольдса для потока воды:Reж2=ω2∙d1νж2= 0,75∙0,0330,145∙10-6=1,71∙105Число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи для воды определяем по формуле, в которой учитывая, что коэффициенты теплоотдачи со стороны воды намного больше коэффициента теплоотдачи со стороны газов и температура стенки трубы близка к температуре воды. Допускаем что Prж1Prс10,25≈ 1Nuж2=0,021∙Reж20,8∙Prж20.43∙Prж2Prс20,25==0,021∙1,71∙1050,8∙0,880.43∙10.25=304,86α2= Nuж2∙λж2d1=304,86∙0,6370,033=5884,9 Втм2∙КДля определения температуры газов на выходе из экономайзера принимаем в первом приближении теплоёмкость газа равной Сpж1≈1,25кДжкг∙К, тогда:tж1''=tж1'-QG1∙Сpж1=860-46810∙3600500∙1000∙1,25=590 ℃tж1=0.5∙tж1'+tж1''=0,5∙860+590=725 ℃При этой температуре Сpж1≈1,245кДжкг∙К.Получаем погрешность в 0,4 %, что допустимо.При температуре tж1=725 ℃ физические свойства дымовых газов данного состава равны:ρж1=0,355 кгм3 νж1=1,93∙10-4м3с λж1=8,49∙10-2 Втм∙К Prж1=0,607 μж1=4,14∙10-5Н∙см2Находим число Рейнольдса для потока газов: Reж1=ω1∙d2νж1= 11∙0,0381,93∙10-4=2168,3Найдём число Нуссельта и коэффициент теплоотдачи конвекцией от газов к стенкам труб. В связи с тем, что число рядов труб вдоль потока неизвестно, расчёт ведём для третьего ряда труб. При шахматном расположении для чистых труб находим по формулеS1=2.1∙d2=0,0798 S2=2∙d2=0,076 S1S2=1,05 εs=1Nuж1=0,41∙Reж10,6∙Prж10.33∙εs=34,91α12= Nuж1∙λж1d2=34,91∙8,49∙10-20,038=77,99 Втм2∙Кα1= 0,8∙α12= 0,8∙77,99=62,39 Втм2∙КСредняя длина пути лучаl=1,08∙d2∙S1∙S2d22-0,785=1,08∙0,038∙0,0798∙0,0760,0382-0,785=0,141 мПроизведения средней длины пути луча на парциальное давление двуокиси углерода и водяных паров равныPco2∙l=0,13∙0,141=0,018 м∙атмPH2O∙l=0,11∙0,141=0,015 м∙атмСтепень черноты дымовых газов при средней температуре газов при tж1=725 ℃ находим по графикам:εг=εco2+εH2O∙β=0,067+1,09∙0,038=0,1084Учитывая, что , принимаем tс1≈tж2+20=250 ℃При этой температуре с помощью тех же графиков находим поглощательную способность газов при температуре поверхности труб.Аг=εco2∙Tж1Tс10.65+εH2O∙β==0,067∙725+273,15250+273,150,65+1,09∙0,064=0,171Эффективная степень черноты оболочкиεc=0,5∙εc1+1=0,5∙0,8+1=0.9Плотность теплового потока, обусловлена излучениемqл=εc∙с0∙εг∙Tж11004-Аг∙Tс11004qл=0,9∙5,67∙0,1084∙998,151004-0,171∙523,151004=4837,2 ВтмКоэффициент теплоотдачи, обусловленный излучениемαл= qлTж1-Tс1=4837,2 998,15-523,15=10,18Втм2∙КСуммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенкам трубα0=α1+αл=62,39 +10,18=72,57 Втм2∙ККоэффициент теплопередачиK=11α0+δcλc+1α2=1172,57+0,00322+15884,9=71 Втм2∙КНаходим средний температурный напор, приближенно принимая схему движения теплоносителей за противоточную:∆t= ∆tб-∆tмln∆tб∆tм=550-450ln550450=498,3 ℃Поверхность нагрева экономайзераF=QK∙∆t=46810 ∙100071∙498,3=1323 м2Длина отдельной секции(змеевика)n=4∙G2∙1000ρж2∙π∙d12∙ω2∙3600=4∙200∙1000827,3∙3,14∙0,0332∙0,75∙3600=104,7≈105 секцийНаходим длину отдельной секции (змеевика):l=Fπ∙d2∙n=1323π∙0,038∙105=105,6 мСписок использованной литературыА.А. Александров, Б.А. Григорьев. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник – М., 2003;График зависимости степени черноты углекислого газа от средней температуры газов. Рис. 11-1;График зависимости степени черноты водяного пара от средней температуры газов. Рис. 11-2;График зависимости поправочного коэффициента на парциальное давление для водяного пара. Рис. 11-3;Таблица 13. Физические свойства дымовых газов.ПриложениеРис. 1 Степень черноты углекислого газаРис. 2 Степень черноты водяного пара.Рис. 3 Поправочный коэффициент бета на парциальное давление для водяного пара.Таблица