Лабораторная работа: Расчет теплообменников

Практическая работа №1 Теплообменники Необходимо произвести тепловой и конструктивный расчет отопительного пароводяного подогревателя горизонтального типа и секционного водоводяного подогревателя производительностью Q = 1,2∙106 ккал/ч. Температура нагреваемой воды при входе в подогреватель t2 ’ = 65°С и при выходе t2 ’’ = 95°С. Температура сетевой воды при входе в водоводяной подогреватель t1 ’ = 140°C и при выходе t1 ’’ = 80°C. Влияние загрязнения поверхности нагрева подогревателя и снижение коэффициента теплопередачи при низких температурах воды учесть понижающим коэффициентом b=0,65. Таблица 1 Исходные данные № варианта Производительность, Q·10-6 , кДж/ч Температура нагреваемой воды при входе в подогреватель, t2 ’, o С Давление сухого насыщенного водяного пара, р, ат 1 3,78 75 3,5 2 5,04 70 4,0 3 5,88 65 4,5 4 6,72 60 5,0 5 7,56 75 3,5 6 8,40 70 4,0 7 9,24 65 4,5 8 10,1 60 5,0 9 3,78 70 3,5 10 5,04 75 4,0 11 5,88 65 3,5 12 6,72 65 5,0 13 7,56 70 3,5 14 8,40 75 4,0 15 3,78 65 4,5 16 5,04 65 4,0 17 5,88 65 4,0 Для расчета отопительного пароводяного подогревателя приняты следующие дополнительные данные: – давление сухого насыщенного водяного пара р = 4 ат (tн = 143,62°С), см. Таблицу вода-водяной пар на линии насыщения; – температура конденсата, выходящего из подогревателя, tк = tн ; – число ходов воды z = 2; – поверхность нагрева выполнена из латунных труб (l = 90ккал/м·ч·град) диаметром d = 14/16мм. Загрязнение поверхности учесть дополнительным тепловым сопротивлением dз /lз = 0,00015м2 ·ч·град/ккал. В обоих вариантах скорость воды wт (в трубках) принять по возможности близкой к 0,9 м/сек. Для упрощения расчета принять rв = 1000 кг/м3 . На основе расчетов выбрать аппараты, выпускаемые серийно, и сделать сопоставление полученных результатов. Для расчетов необходимо: 1. Рабинович О. М. Сборник задач по технической термодинамике. – М.: Машиностроение, 1973. – 344 с. (Таблица Насыщенный водяной пар (по давлениям)) 2. Таблица зависимости кинематической вязкости воды от температуры Пример расчета пароводяного подогревателя Исходные данные: температура нагреваемой воды при входе в подогреватель t2 ’ = 65°С, мощность Q = 1,2 ·106 ккал/ч. Расчет: Определим расход воды: (кг/ч) или V = 40 м3 /ч. Число трубок в одном ходе: (шт.) где dв – внутренний диаметр теплообменных труб (из дополнительных данных). Общее число трубок в корпусе: (шт.) Рисунок 1 – Размещение трубок в трубной решетке трубчатого подогревателя: а – по вершинам равносторонних треугольников; б – по концентрическим окружностям. Принимая шаг трубок s = 25мм, угол между осями трубной системы a = 60° и коэффициент использования трубной решетки Y = 0,7, определим диаметр корпуса: (м) = 378 (м) Определим также диаметр корпуса по Таблице 1.7 Приложения 1 и Рисунку 1 при ромбическом размещении трубок. Для числа трубок n = 144 находим в Таблице 1.7 значение D’/s = 14 и, следовательно, D’ = 14·25 = 350(мм). Диаметр корпуса составит: D = D’+dн +2k=350+16+2·20=406 (мм). Приведенное число трубок в вертикальном ряду: (шт.) Определим коэффициент теплоотдачи aп от пара к стенке: Температурный напор: (°С) Средние температуры воды и стенки: (°С) (°С) Режим течения пленки конденсата определяем по приведенной длине трубки (критерий Григулля) для горизонтального подогревателя, равной: , где т – приведенное число трубок в вертикальном ряду, шт.; dн – наружный диаметр трубок, м; А1 – температурный множитель, значение которого выбирается по Таблице 2: (1/(м·град)) (°С) Таблица 2 Значения температурных множителей в формулах для определения коэффициентов теплоотдачи Конденсирующийся пар Вода при турбулентном движении Температу-ра насыщения, tн , °С A1 А2 А3 A4 ·103 Температу-ра t, о С A5 20 5,16 – – 1,88 20 1746 30 7,88 – – 2,39 30 1909 40 11,4 – – 2,96 40 2064 50 15,6 – – 3,56 50 2213 60 20,9 – – 4,21 60 2350 70 27,1 – – 4,91 70 2490 80 34,5 7225 10439 5,68 80 2616 90 42,7 7470 10835 6,48 90 2740 100 51,5 7674 11 205 7,30 100 2850 110 60,7 7855 11524 8,08 110 2957 120 70,3 8020 11 809 8,90 120 3056 130 82,0 8140 12039 9,85 130 3150 140 94,0 8220 12249 10,8 140 3235 150 107 8300 12375 11,8 150 3312 160 122 8340 12469 12,9 160 3385 170 136 8400 12554 14,0 170 2450 180 150 8340 12579 15,0 180 3505 При tн = 143,62°С имеем A1 =98,71 (1/(м·град), тогда L = 12·0,016·30,62·98,71 = 580,32 , т. е. меньше величины Lкр = 3900 (для горизонтальных труб), следовательно, режим течения пленки ламинарный. Для этого режима коэффициент теплоотдачи от пара к стенке на горизонтальных трубках может быть определен по преобразованной формуле Д.А. Лабунцова: При tн = 143,62°С по Таблице 2 находим множитель A2 = 8248,96, тогда: (ккал/(м2 ·ч·град)) Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки к воде. Режим течения воды в трубках турбулентный, так как: , где n – коэффициент кинематической вязкости воды (по справочнику); n = 0,373·10-6 м2 /c при средней температуре воды t = 81,42°С. Коэффициент теплоотдачи при турбулентном движении воды внутри трубок: , где dэ = dв . При t = 81,42°С по Таблице 2 множитель A5 =2633,6, следовательно: (ккал/(м2 ·ч·град)) Расчетный коэффициент теплопередачи (с учетом дополнительного теплового сопротивления dз /lз ) определяем по формуле для плоской стенки, так как ее толщина меньше 2,5мм: (ккал/(м2 ·ч·град)) Уточненное значение температуры стенки трубок: (°С) Поскольку уточненное значение tст мало отличается от принятого для предварительного расчета, то пересчета величины aп не производим (в противном случае, если отличие в данных температурах более 3%, необходимо производить пересчет до достижения данной точности). Расчетная поверхность нагрева: (м2 ) Ориентируясь на полученную величину поверхности нагрева и на заданный в условии диаметр латунных трубок d = 14/16мм, выбираем пароводяной подогреватель горизонтального типа конструкции Я.С. Лаздана (Рисунок 1.1, Таблица 1.1) с поверхностью нагрева F = 10,4м2 , площадью проходного сечения по воде (при z = 2) fт = 0,0132м2 , количеством и длиной трубок 172×1200мм, числом рядов трубок по вертикали т = 12. Основные размеры подогревателя приведены в Таблице 1.2. Уточним скорость течения воды w в трубках подогревателя: (м/с) Поскольку активная длина трубок l =1200мм, длина хода воды L = l·z = 1200·2 = 2400 (мм). Определяем гидравлические потери в подогревателе. Коэффициент гидравлического трения при различных режимах течения жидкости и различной шероховатости стенок трубок можно подсчитать по формуле А.Д. Альтшуля: , где k1 – приведенная линейная шероховатость, зависящая от высоты выступов, их формы и частоты. Принимая k1 = 0 (для чистых латунных трубок), формулу можно представить в более удобном для расчетов виде (для гидравлически гладких труб): Уточняем критерий Рейнольдса: Таблица 3 Значения lT = f(Re) для гидравлически гладких труб Re·10-3 lт Re·10-3 lт Re·10-3 lт Re·10-3 lт 10 0,0303 80 0,0184 200 0,0153 340 0,0139 20 0,0253 90 0,0179 220 0,0150 360 0,0137 30 0,0230 100 0,0175 240 0,0147 380 0,0135 40 0,0215 120 0,0168 260 0,0146 400 0,01345 50 0,0205 140 0,0164 280 0,0144 60 0,0197 160 0,0160 300 0,0142 70 0,0190 180 0,0156 320 0,0140 Используя Таблицу 3, по известной величине Re находим lт = 0,023.

---

Таблица 4

Значение коэффициента загрязнения труб х_ст

Материал труб и состояние их поверхности	хст
Медные и латунные чистые гладкие трубы	1,0
Новые стальные чистые трубы	1,16
Старые (загрязненные) медные или латунные трубы	1,3
Старые (загрязненные) стальные трубы	1,51 – 1,56

Потерю давления в подогревателе определяем с учетом дополнительных потерь от шероховатости в результате загрязнений труб по Таблице 4 и потерь от местных сопротивлений по Таблице 5.

Таблица 5

Коэффициенты местного сопротивления x арматуры и отдельных элементов теплообменного аппарата

Наименование детали	x
Вентиль проходной d = 50мм при полном открытии	4,6
То же d = 400мм	7,6
Вентиль Косва	1,0
Задвижка нормальная	0,5 – 1,0
Кран проходной	0,6 – 2,0
Угольник 90°	1,0 – 2,0
Колено гладкое 90°, R = d	0,3
То же, R = 4d	1,0
Входная или выходная камера (удар и поворот)	1,5
Поворот на 180° из одной секции в другую через промежуточную камеру	2,5
То же через колено в секционных подогревателях	2,0
Вход в межтрубное пространство под углом 90 ° к рабочему потоку	1,5
Поворот на 180° в U-образной трубке	0,5
Переход из одной секции в другую (межтрубный поток)	2,5
Поворот на 180° через перегородку в межтрубном пространстве	1,5
Огибание перегородок, поддерживающих трубы	0,5
Выход из межтрубного пространства под углом 90°	1,0

---

Для условий проектируемого теплообменника по Таблице 4 для загрязненных латунных труб х_ст = 1,3, а по Таблице 5 коэффициенты местных сопротивлений имеют следующие значения:

Наименование детали	x
Вход в камеру	1,5·1 = 1,5
Вход в трубки	1,0·2 = 2,0
Выход из трубок	1,0·2 = 2,0
Поворот на 180°	2,5·1 = 2,5
Выход из камеры	1,5·1 = 1,5

Потеря давления в подогревателе (при условии w = const):

(мм вод. ст.)

Гидравлическое сопротивление пароводяных подогревателей по межтрубному пространству, как правило, не определяется, так как его величина вследствие небольших скоростей пара (до 10м/с) очень мала.

Пример расчета секционного водоводяного подогревателя

Исходные данные: давление сухого насыщенного водяного пара р = 4ат (t_н = 143,62°С), мощность Q = 1,2 ·10⁶ ккал/ч.

Расчет: Определим расходы сетевой воды и воды, нагреваемой в межтрубном пространстве:

(кг/ч)

или V_т = 20,0 м³ /ч;

(кг/ч)

или V_мт = 40,0 м³ /ч.

Площадь проходного сечения трубок (при заданной в условии расчета скорости течения воды в трубках w=1 м/с):

(м² )

Выбираем подогреватель МВН 2050-32 (Рисунок 1.2, Таблица 1.4). Согласно Таблице 1.3 он имеет: наружный диаметр корпуса 219мм и внутренний – 209мм, число стальных трубок (размером 16×1,4мм) n = 69шт., площадь проходного сечения трубок f_т = 0,00935м² , площадь проходного сечения межтрубного пространства f_мт = 0,0198 м² .

Скорость воды в трубках и в межтрубном пространстве:

(м/с)

(м/с)

Таким образом, в результате расчета совершенно случайно получены одинаковые скорости воды (W_т =W_мт ).

Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства:

(м)

Средняя температура воды в трубках:

(°С)

При этой температуре температурный множитель, необходимый для дальнейших расчетов (по Таблице 2), A_5т »2960.

Средняя температура воды между трубками:

(°С)

При этой температуре температурный множитель (по Таблице 2) A_5мт »2616.

---

Режим течения воды в трубках (при t₁ = 110°С ν_т = 0,271·10^-6 м² /с) и межтрубном пространстве (при t = 80,0°С ν_мт = 0,38·10^-6 м² /с) турбулентный, так как:

Коэффициенты теплоотдачи (для турбулентного режима течения воды):

Коэффициент теплоотдачи три турбулентном движении воды внутри трубок:

(ккал/(м² ·ч·град))

где d_э = d_в .

(ккал/(м² ·ч·град))

Расчетный коэффициент теплопередачи (коэффициент теплопроводности стали l = 39ккал/(м·ч·град) определяем по формуле для плоской стенки, так как ее толщина меньше 2,5мм:

(ккал/(м² ·ч·град))

Температурный напор:

(°С)

Поверхность нагрева подогревателя:

(м² )

Длина хода по трубкам при среднем диаметре трубок

d = 0,5·(0,016+0,0132) = 0,0146 (м):

(м)
Число секций (при длине одной секции l_т = 4 м):

секции; принимаем 3 секции.

Уточненная поверхность нагрева подогревателя согласно технической характеристике выбранного аппарата составит:

(м² )

Действительная длина хода воды в трубках и межтрубном пространстве L_т = 4·3 = 12 (м), L_мт = 3,5·3 = 10,5 (м) (при подсчете L_мт расстояние между патрубками входа и выхода сетевой воды, равное 3,5м, выбрано из конструктивных соображений).

Определяем гидравлические потери в подогревателе. Коэффициенты гидравлического трения для трубок и межтрубного пространства определяем по формуле Альтшуля при k = 0,3·10^-3 мм (для бесшовных стальных труб изготовления высшего качества):

Коэффициенты местных сопротивлений для потока воды в трубках, принимаем по Таблице 5.

Вход в трубки	1,5·4 = 6,0
Выход из трубок	1,5·4 = 6,0
Поворот в колене	0,5·3 = 1,5
Sξ = 13,5

Суммарный коэффициент местных сопротивлений для потока воды в межтрубном пространстве определяется из выражения:

Отношение сечений входного или выходного патрубка: f_мт /f_патр = 1.

Потери давления в подогревателе с учетом дополнительных потерь х_ст от шероховатости (для загрязненных стальных труб по Таблице 4 принимаем х_ст = 1,51):

(мм вод. ст.)

Потери в межтрубном пространстве подсчитываются по аналогичной формуле

---

, но лишь в том случае, когда сумма значений коэффициентов местных сопротивлений Sx_мт определена по указанной выше формуле, в противном случае расчет потерь Dp_мт значительно усложняется.

(мм вод. ст.)

Сведем полученные результаты в Таблицу 6 и сравним их между собой.
Таблица 6

Расчетные данные кожухотрубчатого и секционного водоводяного теплообменников

Тип теплообменника	Коэффи-циент теплопе-редачи k, ккaл/(м2 ·ч·гpaд)	Темпера-турный напор Dt, °С	Поверх-ность нагрева F, м2	Диаметр корпуса D, м	Длина корпуса L, м	Гидравли-ческое сопротивление Dp, мм вод. ст	Число ходов z
Кожухотрубчатый	1953	62,2	9,88	0,414	1,81	0,526	2
Секционный	1240	27,3	38,25	219	4,44	1,17	3

Сравнение показывает, что для данных условий кожухотрубчатый теплообменник имеет те преимущества, что он более компактен и гидравлическое сопротивление его меньше.

Приложение 1

а)

б)

Рисунок 1.1 Горизонтальные пароводяные подогреватели конструкции Я.С. Лаздана: а – двухходовые; б – четырехходовые.

Таблица 1.1

Расчетные характеристики горизонтальных пароводяных подогревателей конструкции Я.С. Лаздана (Рисунок 1)

№ подогревателей	№ корпусов	Количество и длина трубок, мм	Поверхность нагрева, м2	Площадь проходного сечения по воде, м2		Число рядов трубок по вертикали	Наиболь-ший расход воды, т/ч
				При четырех ходах	при двух ходах
								1	32 * 900	1,47
2	32 * 1 200	1,93
3	1	32 * 1 600	2,58	0,0012	0,0024	5	22/11
4	32 * 2 000	3,18
5	32 * 2 400	3,800
6	56 * 1 200	3,38
7	2	56 * 1 600	4,47	0,0022	0,004	7	40/20
8	56 * 2 000	5,66
9	56 * 2 400	6,66
10	172 * 900	7,78
11	3	172 * 1 200	10,40	0,0066	0,0132	12	120/60
12	172 * 1 600	13,75
13	172 * 2 000	15,8
14	172 * 2 400	20,40

---

Смотрите также файлы

• Пример философского диалога о добре и зле 2 цитаты Платона об идее.docx

• Объединение винотерапии и традиционного спа произошло не так давно всего 10 лет назад. Впрочем, за это недолгое время так называемые винные спа успели прижиться и занять свою нишу во многих странах Европы, Южной Африки и Южной Америки.docx

• Методические рекомендации по выполнению контрольной работы Приложение 6 к рабочей программе.doc

• Задания к теме Задание 1.docx

• При интенсивности уз более 0,3 Втсм2 в жидкой среде возникают следующие эффекты.pdf