Розділ I. Розрахунок рекуперативних теплообмінників 3 страница

кг/с

4. Визначаємо коефіцієнти тепловіддачі з боку пари, що конденсується, і киплячої води [3].

4.1 Коефіцієнт тепловіддачі при плівковій конденсації пари на горизонтальних трубах:

- тут - температура стінки труби.

4.2 Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі при бульбашковому кипінні рідини, що рухається у трубах. Попередньо потрібно визначити співвідношення коефіцієнтів тепловіддачі при кипінні у великому об’ємі і при русі однофазної рідини в трубах ,

4.2.1 Коефіцієнт тепловіддачі при кипінні у великому об’ємі [3]:

4.2.2. Коефіцієнт тепловіддачі при русі рідини в трубах

Число Рейнольдса:

Для перехідного режиму руху в діапазоні залежність для числа Нуссельта наступна [3]:

Поправка , тому що . З таблиць [3] знаходимо .

- при визначальній температурі, рівній середній між температурами теплоносіїв: 0С.

Вт/(м2К)

Для даного значення температури стінки

Вт/(м2К)

При коефіцієнт тепловіддачі залежить тільки від інтенсивності паротворення [3]:

 

5. Визначаємо щільність теплового потоку.

5.1. Складаємо рівняння для розрахунку щільності теплового потоку, переданого від пари, що конденсується, до стінки і від стінки до киплячої рідини (термічним опором сталевої стінки нехтуємо):

Вт/м2

Вт/м2

У зв'язку з тим, що температура стінки не відома, ведемо розрахунок методом послідовних наближень.

 

5.2 Задаючись значеннями в діапазоні 0С, розраховуємо відповідні величини і . Дані заносяться в таблицю.

 

Таблиця 1.4

Значення щільності теплового потоку з боку кожного теплоносія у залежності від середньої температури стінки

, 0С , град. , Вт/м2 , град. , Вт/м2
3,26·105
2,8·105 5,846·103
2,4·105 58,793·103
1,9·105 226,84·103
2281,11·103

Будуємо графік залежності щільності теплових потоків від температурного напору.

 

, 0С

Рис. 1.5 Залежність щільності теплового потоку і від температурного напору.

 

 

5.3 Перетин кривих дозволяє знайти значення температурного напору, температури стінки і щільність переданого теплового потоку:

0С; 0С; Вт/м2.

 

6. Розраховуємо площу теплообмінної поверхні:

м2


 

1.3 Розрахунок теплообмінників із трьома теплоносіями

 

Задача 1.8. У теплообміннику з трьома теплоносіями здійснюється охолодження природного газу (потік ), що рухається в міжтрубному просторі. У трубах протікають метанові фракції, що нагріваються, (потоки і ). Робочі характеристики процесу такі.

Температура природного газу на вході в апарат: К; тепловий потік, переданий від природного газу (теплоносій ): Вт; водяний еквівалент теплоносія : Вт/к.

Температура метанової фракції (потік ) на вході: К, коефіцієнт теплопередачі від потоку до : Вт/(м2К), водяний еквівалент потоку : Вт/К.

Температура метанової фракції (потік ) на вході: К, коефіцієнт теплопередачі від потоку до : Вт/(м2К), Вт/К; відношення площ поверхонь теплообміну потоків "с" і "b" . Визначити площі теплообмінних поверхонь і .

 

 

 

Рис. 1.6 Схема теплообмінника з трьома теплоносіями

 

Розв’язання

Рівняння для теплового потоку, відданого теплоносієм "а", відповідно до[1,4] має такий вигляд:

 

, Вт

де - корені характеристичного рівняння;

,

,

,

,

,

.

.

1. Знаходимо значення , , , , , , , , :

м2

м-2.

Вт/м2

 

 

м-2; м-2

Вт

 

Вт

Вт

 

2. Розраховуємо коефіцієнти в рівнянні для теплового потоку:

Вт

 

Вт

 

Вт

Підставляючи в рівняння для теплового потоку вже відомі величини, одержуємо:

Проводимо розв’язання цього рівняння методом послідовних наближень, що полягає в підборі значення , яке перетворює рівняння в тотожність. Даному рівнянню задовольняє значення м2.

3. Знаходимо значення :

м2.

Значення м2.

4. Визначаємо тепловий потік, переданий теплоносієві :

, Вт

5. Знаходимо температури теплоносіїв у другому крайньому перерізі теплообмінного апарата:

К;

К;

К.


2. Розрахунок рекуперативних теплообмінників періодичної дії

2.1 Розрахунок теплообмінників із паровим обігрівом

 

Задача 2.1.Водонагрівач-акумулятор з паровим обігрівом служить для нагрівання води протягом хв. від 0С до 0С. Суха насичена водяна пара надходить у пучок горизонтальних алюмінієвих труб діаметром мм. Тиск пари на вході МПа. Температура стінки труб нижча температури пари на 4 0С. Об’єм води в акумуляторі складає 0,5 м3. Визначити необхідну поверхню теплообміну.

 

Розв’язання

Формула для площі теплообмінної поверхні, необхідної для нагрівання води від до за час [1,7]:

 

1. Знаходимо необхідні для розрахунку теплофізичні властивості теплоносіїв.

Для води, що нагрівається:

визначальна температура 0С

при цій температурі властивості води відповідно рівні (табл. 1 Додатку):

кг/м3; кг/м3; м2/с;

Вт/(мК); ; ; кДж/(кгК); К-1

Для конденсату при температурі насичення (табл. 2 Додатку):

при МПа - 0С

кг/м3; Па·с;

густина сухої насиченої пари кг/м3

коефіцієнт поверхневого натягу Н/м;

Вт/(мК), кДж/(кгК)

2. Середній коефіцієнт тепловіддачі при конденсації пари, що рухається в трубах [8]:

,

де - критерій Вебера

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі при плівковій конденсації на горизонтальних трубах за формулою Нуссельта [3]:

Вт/(м2К)

Розраховуємо :

Вт/(м2К)

3. Середній коефіцієнт тепловіддачі при природній конвекції для горизонтальних труб визначаємо по [3].

Число Релея:

Для діапазону число Нуссельта розраховується за таким рівнянням:

Коефіцієнт тепловіддачі від поверхні труб до води:

Вт/(м2К)

4. Розраховуємо коефіцієнт теплопередачі:

Вт/(м2К)

5. Маса води, що нагрівається:

кг

6. Площа поверхні теплообміну:

м2

 

 

Задача 2.2. Нагрівання води здійснюється в акумуляторі за рахунок теплоти сухої насиченої пари, що конденсується. Пара тиском МПа протікає у вертикальних трубах діаметром мм, довжина кожної труби м, кількість труб шт. Вода нагрівається у баку об’ємом 0,6 м3 від 0С до 0С. Коефіцієнт теплопередачі Вт/(м2К). Визначити час нагрівання.

Розв’язання

1. Розраховуємо поверхню теплообміну:

м2

2. Властивості води, що нагрівається, при визначальній температурі 0С (табл. 1 Додатку):

кг/м3; кДж/(кгК)

2. Визначаємо тривалість нагрівання [1,7]:

с


2.2 Розрахунок теплообмінників із обігрівом однофазним теплоносієм

 

Задача 2.3.Водонагрівач-акумулятор з водяним обігрівом (рис. 2.1) служить для нагрівання 900 кг води протягом 30 хв. від 0С до 0С. Витрата води, що гріє - 3 т/ч, її температура на вході - 0С. Вода, що гріє, зі швидкістю м/с протікає по горизонтальним трубам діаметром мм, матеріал труб – сталь, Вт/(мК). Визначити необхідну поверхню теплообміну.

Розв’язання.

1. Виписуємо теплофізичні властивості теплоносіїв, що гріє і нагрівається (Табл. 1 Додатку). Приймаємо як визначальну температуру води, що гріє, на вході в апарат, оскільки вихідна температура не задана й у процесі роботи вона буде безупинно підвищуватися. Визначальна температура води, що нагрівається, - середня за час нагрівання : 0С.

: кг/м3; м2/с;

Вт/(мК);

0С: кг/м3; м2/с;

Вт/(мК); К-1,

2. Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі від води, що гріє, до внутрішньої поверхні труби.

Число Рейнольдса:

Число Нуссельта при турбулентному плині рідини в трубах [3]:

Тут - при визначальній температурі, рівній середній між температурами теплоносіїв: 0С.

Коефіцієнт тепловіддачі з боку рідини, що гріє:

Вт/(м2К)

3. Розраховуємо середній за час нагрівання коефіцієнт тепловіддачі від поверхні труб до рідини, що нагрівається.

Розраховуємо число Релея:

Тут 0С - різниця температур стінки і теплоносія, що нагрівається, у розрахунку приймаються їхні середні значення.

Розраховуємо число Нуссельта. Для горизонтальних труб в умовах вільної конвекції при критеріальне рівняння має вигляд [3]:

Розраховуємо коефіцієнт тепловіддачі з боку середовища, що нагрівається:

Вт/(м2К)

4. Розраховуємо коефіцієнт теплопередачі:

Вт/(м2К)

5. Визначаємо площу теплообмінної поверхні, що необхідна для нагрівання води до заданої температури за час 30 хв. [1,7], знайшовши попередньо водяний еквівалент води, що гріє: