Розділ I. Розрахунок рекуперативних теплообмінників 5 страница

Число

Вт/(м2К)

5.3 Знаходимо коефіцієнт теплопередачі від ПТ до внутрішньої поверхні труб:

Вт/(м2К)

5.4 Розраховуємо температурний напір:

для багатоходової перехресної течії :

Тоді 0С

5.5 Площа внутрішньої поверхні труб:

м2

Загальна довжина труб:

м

6. Зіставляємо масу трубного пучка теплообмінників без ПТ і з ПТ.

6.1 Маса теплообмінника без ПТ:

Загальне число труб: ; висота труб в одному ході: м

Густина матеріалу труб (сталь) кг/м3.

Маса трубного пучка:

кг

де - об’єм матеріалу труб.

6.2 Маса трубного пучка теплообмінника з ПТ.

6.2.1 Маса першого теплообмінника.

Кількість ребер на одиницю довжини труби: .

Об’єм матеріалу труб:

м3

Тоді маса першого теплообмінника:

кг

6.2.2. Розрахуємо масу другого теплообмінника.

Об’єм металу:

м3

Маса другого теплообмінника:

кг

6.2.3 Сумарна маса першого і другого теплообмінників:

кг

6.3 Економія металу у результаті використання ПТ:

кг

7. Розрахуємо ефективності повітропідігрівників по теплоносію з меншим водяним еквівалентом (повітрю).

7.1 Повітропідігрівник без ПТ:

7.2 Повітропідігрівник із ПТ

Ефективність повітропідігрівника з ПТ може бути визначена по вихідних і вхідних температурах димових газів і повітря, а також по ефективності теплообмінників 1 і 2. Скористаємося другим способом [1].

Формула для цього випадку наступна:

7.2.1 Ефективність теплообмінника 1:

7.2.2 Ефективність теплообмінника 2:

7.2.3 Загальна ефективність теплообмінника з ПТ:

Видно, що ефективності теплообмінників без ПТ і з ПТ однакові, при цьому маса металу в теплообміннику з ПТ на 23% менша.

 

4. Задачі до розділу I для самостійного розв’язання

 

4.1. Визначити приведений коефіцієнт тепловіддачі для 20- рядного шахового пучка труб із круглими ребрами товщиною мм, висотою мм і кроком мм. Труби зовнішнім діаметром мм розташовані в пучку з кроками мм і мм. Пучок обмивається в поперечному напрямку повітрям, що нагрівається від до , швидкість у вузькому перерізі пучка м/с. Матеріал труб – латунь.

4.2. Повітроохолоджувач у вигляді коридорного пучка труб обдувається поперечним потоком повітря із середньою температурою 0С. Витрата повітря м3/с. Труби виготовлені з алюмінію, діаметр їх мм, довжина м., розташовані з кроком мм. Труби обладнані круглими ребрами діаметром мм, товщиною мм, крок ребер мм. У трубах протікає рідина із середньою температурою 0С. Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до рідини Вт/(м2К). Визначити тепловий потік, переданий від повітря до рідини, якщо фронтальний переріз теплообмінника м2, а кількість труб – 200 шт.

4.3. У секційному теплообміннику типу «труба в трубі» гаряча трансформаторна олія охолоджується водою. Трансформаторна олія рухається по внутрішній латунній трубі діаметром мм зі швидкістю м/с. Температура олії на вході . Вода рухається по кільцевому зазору протитечією стосовно олії із середньою швидкістю м/с, її температура на вході . Внутрішній діаметр зовнішньої труби мм. Визначити загальну довжину теплообмінника, при якій температура олії на виході складе . Втратами теплоти через зовнішню поверхню теплообмінника знехтувати. Задачу розв’язати з урахуванням зміни коефіцієнтів тепловіддачі теплоносіїв у залежності від їхньої температури.

4.4. Визначити поверхню теплообміну рекуперативного повітропідігрівника при прямоточному і протиточному русі теплоносіїв. Теплоносієм, що гріє, є газ з початковою температурою 550 0С и кінцевою 250 0С. Необхідно нагріти 1,4 м3/с повітря (об’єм при нормальних фізичних умовах) від 20 до180 0С. Прийняти коефіцієнт теплопередачі рівним 40 Вт/(м2 К). Задачу розв’язати методом ефективності.

4.5. На поверхні труби зовнішнім діаметром мм і довжиною м кипить вода під тиском Па. Труба з внутрішньої сторони обігрівається електронагрівником, потужністю кВт. Визначити температуру зовнішньої поверхні труби.

4.6. У трубі внутрішнім діаметром мм рухається кипляча вода зі швидкістю м/с. Вода знаходиться під тиском Па. Визначити значення коефіцієнта тепловіддачі від стінки до киплячої води, якщо температура внутрішньої поверхні труби 0С.

4.7. У теплообміннику на поверхні труб діаметром мм конденсується водяна пара з температурою 0С, у трубах кипить вода при температурі 0С. Визначити середню температуру стінки труб.

4.8. У круглих каналах атомного реактора внутрішнім діаметром мм протікає метал (вісмут) зі швидкістю м/с. Середня температура потоку металу складає 0С. Знайти середній коефіцієнт тепловіддачі.

4.9. По трубі діаметром мм і довжиною мм рухається ртуть зі швидкістю м/с при середній температурі 0С. Знайти тепловий потік і коефіцієнт тепловіддачі від ртуті до стінки труби, що має середню температуру 0С.

4.10. У теплообмінному апараті по трубі з зовнішнім діаметром мм протікає олово, що має середню температуру 0С. Товщина стінок труби мм., довжина труби м., масова витрата олова кг/с. Знайти коефіцієнт тепловіддачі і тепловий потік від олова до стінки, якщо температура стінки 0С.

4.11. Визначити поверхню теплообміну і витрату охолоджуючої води для вертикального пароводяного трубчастого апарата, призначеного для конденсації кг/с сухої насиченої водяної пари при тиску кПа. Вода тече усередині сталевих труб діаметром мм, висотою м зі швидкістю м/с. Температура води на вході в апарат , на виході .

4.12. Водонагрівач-акумулятор з паровим обігрівом служить для нагрівання води впродовж 30 хв. від 0С до 0С. Витрата пари –0,5 кг/c, , її тиск на вході - МПа. Пара протікає по горизонтальним мідним трубам діаметром мм. Об’єм бака, у якому знаходиться вода, що нагрівається, і теплообмінник, складає 0,3 м3. Визначити необхідну поверхню теплообміну.

4.13. Нагрівання води здійснюється в акумуляторі за рахунок теплоти водяної пари, що конденсується. Пара протікає в трубах, установлених вертикально, діаметр труб мм, довжина кожної труби м, кількість труб шт. Вода нагрівається у баку об'ємом 0,6 м3 від 0С до 0С. Температура пари 0С, її витрата кг/с. Визначити час нагрівання.

4.14. Вонанагрівач-акумулятор з водяним обігрівом служить для нагрівання води об'ємом 0,6 м3 впродовж 15 хв. від 0С К 0С. Витрата води, що гріє -0,9 кг/с, температура на вході 0С. Вода, що гріє, протікає по горизонтальних трубах мм, матеріал труб - сталь-45. Визначити необхідну поверхню теплообміну і кількість теплоти, необхідну для нагрівання води до кінцевої температури.

4.15. Визначити час, необхідний для нагрівання води масою кг від 0С до 0С. Нагрівання здійснюється у баку-акумуляторі водою, що рухається в алюмінієвих трубах діаметром мм. Швидкість руху води, що гріє, м/с, її температура на вході 0С. Площа теплообмінної поверхні м2.

4.16. Визначити площу теплообмінної поверхні горизонтального кожухотрубного теплообмінника, призначеного для нагрівання 8,5 кг/с води від 0С до 0С. Середовищем, що гріє, служить суха насичена водяна пара (МПа), що цілком конденсується на зовнішній поверхні труб. Вода, що нагрівається, рухається в сталевих трубах діаметром мм зі швидкістю 1,7 м/с. Знайти також витрату пари, кількість і довжину труб. Схема теплообмінника подана на рис. 4.1.

4.17. Визначити, як зміняться вихідна температура води і тепловий потік у теплообміннику, розглянутому в попередній задачі, якщо витрата води збільшиться до 12 кг/с, а решта умов залишаться незмінними.

Рис. 4.1

4.18. Виконати тепловий конструкторський розрахунок змієвикового теплообмінника, що служить для утилізації теплоти димових газів. Витрата газів кг/год, їхня температура на вході оС, на виході оС. Гази містять 13% СО2, 11% Н2О, 76% N2. Теплота від газів передається воді, що рухається в сталевих трубах діаметром мм зі швидкістю м/с і нагрівається від 0С до 0С. Димові гази рухаються в міжтрубному просторі із середньою швидкістю м/с. Труби розташовані в шаховому порядку з поперечним і подовжнім кроком . Схема теплообмінника і напрямок руху теплоносіїв приведені на рис. 4.2. При розрахунку коефіцієнта тепловіддачі димових газів променистою складовою знехтувати.

Рис. 4.2

4.19. Виконати перевірочний розрахунок теплообмінника, розглянутого в задачі 4.18, для режиму, у якому вхідна температура димових газів зменшиться на 50 0С, а решта умов не зміниться.

4.20. У труби змієвикового пароперегрівника парового котла (рис. 4.3) надходить т/ч сухої насиченої водяної пари, тиск якої МПа. Пара повинна бути перегріта до температури 0С за рахунок теплоти, сприйнятої від продуктів згоряння палива (димових газів). Гази поперечно обмивають труби змієвика зі швидкістю (у вузькому перерізі) 15 м/с. Витрата газів т/ч, їхня температура на вході 0С, склад - 13% СО2, 11% Н2О, 76% N2. Труби змійовика діаметром мм, виготовлені зі сталі ( Вт/(мК)), розташовані в коридорному порядку з кроками . Кількість труб у змієвику, включених паралельно по парі, дорівнює 84. Визначити площу поверхні теплообміну пароперегрівника і довжину кожної труби змійовика.

Рис. 4.3

4.21. Визначити вихідні температури перегрітої пари і димових газів, а також тепловий потік для теплообмінника, розглянутого в задачі 4.20, якщо витрата газів зменшиться на 20 т/ч, а решта умов залишиться незмінною.

4.22. Виконати тепловий розрахунок повітропідігрівників, опис яких і умови роботи приведені в задачі 3.1. Як проміжний вибрати органічний теплоносій (Табл. 12 – 17 Додатку).


Розділ II. Розрахунок регенеративних теплообмінників (регенераторів)

5 Розрахунок ідеальних і реальних регенераторів

Задача 5.1.Визначити площу поверхні регенератора з нерухомою насадкою, призначеного для нагрівання повітря від 0С до 0С димових газів, температура яких змінюється від 0С до 0С. Теплоносії рухаються по схемі протитечії. Тривалість періоду нагрівання насадки хв і охолодження хв. Витрата димових газів кг/с. Насадка виконана з алюмінієвої гофри товщиною 2 мм. Канали, по яких проходять теплоносії, утворені гофрою і представляють рівносторонні трикутники зі стороною см, число каналів . Прийняти, що термічний опір теплопровідності насадки зневажено малий. Тепловими втратами і променистою складовою тепловіддачі газів можна знехтувати.

Визначити також висоту регенератора і масу насадки.

Розв’язання.

1. Визначаємо теплофізичні характеристики теплоносіїв.

- для димових газів (табл.11 Додатку) при 0С:

Дж/(кгК); Вт/(мК); кг/м3;

м2/с;

- для повітря (табл. 7 Додатку) при 0С:

Дж/(кгК); Вт/(мК); кг/м3;

м2/с;

2. Розраховуємо кількість теплоти, переданої від димових газів насадці:

, Дж/пер,

3. З рівняння теплового балансу розраховуємо витрату повітря:

кг/с

4. Розраховуємо поперечний переріз і еквівалентний діаметр каналів . Переріз каналу – це рівносторонній трикутник, тому висота трикутника дорівнює см.

м2

Тоді м.

де - периметр каналу.

5. Визначаємо швидкість димових газів:

м/с

 

- і повітря:

м/с

6. Визначаємо коефіцієнти тепловіддачі димових газів і повітря:

6.1 Для димових газів.

Число Рейнольдса:

Режим плину – перехідний, число Нуссельта визначається з формули [3]:

По таблицях [3] знаходимо . Для газів поправка .

Тоді

Вт/(м2К)

6.2 Аналогічно проводимо розрахунок для повітря: