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= 40/38 мм и имеет температуру на входе tж1'=89°C. Расход греющей воды G1=2000 кг/ч. Нагреваемая вода двигается противотоком по кольцевому каналу между трубами и нагревается от tж2'=9°C до tж2''=42°C. Внутренний диаметр внешней трубы D = 55 мм. Расход нагреваемой воды G2=3350 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=3350∙4,20204∙42-9=464,5 кВт Температура греющей воды на выходе:tж1"=tж1'-QG1∙Cp1=89-464,5∙1032000∙4,20204=33 ℃Находим средние арифметические значения температур теплоносителей и значения физических свойств воды при этих температурах:tж1=0,5∙tж1'+tж1"=0,5∙89+33=61 ℃При этой температуре: ρж1=982,7 кгм3, νж1=0,471∙10-6 м2с, λж1=0,660 Втм∙К, Prж1=2,89 tж2=0,5∙tж2'+tж2"=0,5∙9+42=25 ℃При этой температуре: ρж2=996,9кгм3, νж2=0,905∙10-6 м2с λж2=0,608 Втм∙К Prж2=6,22Скорости движения теплоносителей:ω1=4∙G1ρж1∙π∙d12∙3600= 4∙2000982,7∙3,14∙0,0382∙3600=0,499ω2=4∙G2ρж2∙π∙(D22-d22)∙3600= 4∙3350996,9∙3,14∙(0,0552-0,0402)∙3600=0,834Число Рейнольдса для потока греющей воды:Reж1=ω1∙d1νж1=0,499∙0,0380,471∙10-6=4,02∙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∙61+25=43 ℃При этой температуре Prс1=4,08 , тогдаNuж1= 0,021∙4,02∙1040.8∙2,890.43∙2,894,080.25=146,67Коэффициент теплоотдачи от греющей воды к стенке трубы:α1= Nuж1∙λж1d1= 146,67∙0,6600,038=2,55∙103 Втм2∙КЧисло Рейнольдса для потока нагреваемой воды:Reж2=ω2∙dэνж2= 0,834∙(0,055-0,040)0,905∙10-6=1,382∙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∙1,382∙1040,8∙6,220.43∙6,224,080.25=105,13Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемой среде:α2= Nuж2∙λж2dэ=105,13∙0,6080,015=4,26∙103 Втм2∙ККоэффициент теплоотдачи:∆tб=89-42=47 ℃∆tм=33-9=24℃∆t= ∆tб-∆tмln∆tб∆tм=47-24ln4724=34,2 ℃Kl=11d1∙α1+12∙λcтlnd2d1+1d2∙α2Kl=110,038∙2,55∙103+12∙45ln0,0400,038+10,040∙4,26∙103=59,67 Втм∙КПлотность теплового потока:q=Kl∙∆td2=59,67∙34,20,040=51,01∙103 Втм2Поверхность нагрева:F= d2∙Q∙1000Kl∙∆t=0,040∙464,5∙100059,67∙34,2=9,10 м2 Число секций:n= Fπ∙d1∙l=9,013,14∙0,038∙1,75=44Температура стенок труб:tс1=tж1-qα1=61-51,01∙1032,55∙103=41 ℃tс2=tж2+qα2=25+51,01∙1034,26∙103=37 ℃При этих температурах Prс1=4,23 и Prс2=4,64 и поправки на изменения физических свойств жидкости по сечению потока имеют следующие значения:Prж1Prс10,25=2,894,230,25=0,909 было принято при расчете Prж1Prс10,25=2,894,080,25=0,917Погрешность составляет 0,9 %Prж2Prс20,25=6,224,640,25=1,076 было принято при расчете Prж1Prс10,25=6,224,080,25=1,111Погрешность составляет 2,9 %Погрешность вполне допустима, поэтому можно принять, что F=9,1 м2 и n=44 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=180 т/ч от температуры tж2'=130℃ до tж2''=290℃. Вода двигается снизу вверх по стальным трубам () диаметром d1d2=0,0380,040 мм со средней скоростью ω2=0,65 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'=680℃. 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∙130+290=210℃При этой температуре физические свойства воды равны соответственно:ρж2=852,8кгм3 νж2=1,53∙10-5 м3с λж2=0,655 Втм∙К Сpж2=4,555кДжкг∙К Prж2=0,91Находим количество передаваемой теплоты:Q=G2∙Cp2∙tж2"-tж2'=180∙10003600∙4,555∙290-130=36440 кВтНаходим число Рейнольдса для потока воды:Reж2=ω2∙d1νж2= 0,65∙0,0380,153∙10-6=1,61∙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∙1,61∙1050,8∙0,910.43∙10.25=295,81α2= Nuж2∙λж2d1=295,81∙0,6550,038=5098,8 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=680-5098,8∙3600500∙1000∙1,25=650 ℃tж1=0,5∙tж1'+tж1''=0,5∙680+650=665 ℃При этой температуре Сpж1≈1,23кДжкг∙К.Получаем погрешность в 1,5 %, что допустимо.При температуре tж1=665 ℃ физические свойства дымовых газов данного состава равны:ρж1=0,37 кгм3 νж1=1,05∙10-4м3с λж1=7,97∙10-2 Втм∙К Prж1=0,613 μж1=3,97∙10-5Н∙см2Находим число Рейнольдса для потока газов: Reж1=ω1∙d2νж1= 11∙0,0401,05∙10-4=4190,5Найдём 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=0,084 S2=2∙d2=0,08 S1S2=1,05 εs=1Nuж1=0,41∙Reж10,6∙Prж10.33∙εs=52α12= Nuж1∙λж1d2=52∙7,97∙10-20,040=103,61 Втм2∙Кα1= 0,8∙α12= 0,8∙103,61=82,89 Втм2∙КСредняя длина пути лучаl=1,08∙d2∙S1∙S2d22-0,785=1,08∙0,040∙0,084∙0,0800,0402-0,785=0,147 мПроизведения средней длины пути луча на парциальное давление двуокиси углерода и водяных паров равныPco2∙l=0,13∙0,147=0,019 м∙атмPH2O∙l=0,11∙0,147=0,016 м∙атмСтепень черноты дымовых газов при средней температуре газов при tж1=665 ℃ находим по графикам:εг=εco2+εH2O∙β=0,068+1,09∙0,046=0,1181Учитывая, что , принимаем tс1≈tж2+20=230 ℃При этой температуре с помощью тех же графиков находим поглощательную способность газов при температуре поверхности труб.Аг=εco2∙Tж1Tс10.65+εH2O∙β==0,058∙665+273,15230+273,150,65+1,09∙0,073=0,166Эффективная 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∙0,1181∙938,151004-0,166∙503,151004=4125,4 ВтмКоэффициент теплоотдачи, обусловленный излучениемαл= qлTж1-Tс1=4125,4938,15-503,15=9,48Втм2∙КСуммарный коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенкам трубα0=α1+αл=82,89+9,48=92,37 Втм2∙ККоэффициент теплопередачиK=11α0+δcλc+1α2=1192,37+0,00322+15098,8=89,6 Втм2∙КНаходим средний температурный напор, приближенно принимая схему движения теплоносителей за противоточную:∆t= ∆tб-∆tмln∆tб∆tм=390-520ln390520=451,9 ℃Поверхность нагрева экономайзераF=QK∙∆t=36440 ∙100071∙451,9=1135,7 м2Длина отдельной секции(змеевика)n=4∙G2∙1000ρж2∙π∙d12∙ω2∙3600=4∙180∙1000852,8∙3,14∙0,0382∙0,65∙3600=79,5≈80 секцийНаходим длину отдельной секции (змеевика):l=Fπ∙d2∙n=1135,7π∙0,040∙80=113 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