Расчет пароводяного теплообменного аппарата

Содержание 

1. Введение………………………………………………………………3
2. Исходные данные……………………………………………………5
3. Тепловой расчет……………………………………………………..5
4. Повторный расчет…………………………………………………..7
5. Гидродинамический расчет………………………………………..9
6. Чертеж пароводяного теплообменного аппарата………………11

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
    

1. Введение

 

    Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором один теплоноситель - горячая  среда, передает теплоту другому  теплоносителю - холодной среде. По принципу работы аппараты делят на: регенеративные, смесительные  и рекуперативные.

    Особенно  широкое развитие во всех областях техники получили рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячей  среды к холодной передается через  разделительную стенку.

    Теплообменные аппараты могут иметь самые разнообразные  назначения - паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, приборы центрального отопления и т.д. Теплообменные  аппараты в большинстве случаев  значительно отличаются друг от друга  как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них  рабочим телам. Несмотря на большое  разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета  для них остаются общими.

    В теплообменных аппаратах движение тел осуществляется по трем основным схемам.

    Если  направление движения горячего и  холодного теплоносителей совпадают, то такое движение называют прямотоком. Если направление движения горячего теплоносителя противоположно движению холодного теплоносителя, то такое  движение называют противотоком. Если же горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного  теплоносителя, то такое движение называется перекрестным потоком. Кроме этих основных схем движения, в теплообменных аппаратах  применяют более сложные схемы  движения, включающие все три основные схемы.

    Кожухотрубный теплообменник является наиболее распространенным аппаратом вследствие компактного  размещения большой теплопередающей  поверхности в единице объема аппарата. Поверхность теплообмена  в нем образуется пучком параллельно  расположенных трубок, концы которых  закреплены в двух трубных досках (решетках). Трубки заключены в цилиндрический кожух, приваренный к трубным  доскам или соединенный с ними фланцами. К трубным решеткам крепятся на болтах распределительные головки (днища), что позволяет легко снять  их и произвести чистку трубок или  в случае необходимости заменить новыми. Для подачи и отвода теплообменивающихся  сред в аппарате имеются штуцера. В целях предупреждения смешения сред трубки закрепляются в решетах  чаще всего развальцовкой, сваркой  или реже для предупреждения термических  напряжений с помощью сальников.

    Преимущества  проведения процессов теплообмена  по принципу противотока, что обычно и выполняется в кожухотрубных  теплообменных аппаратах. При этом охлаждаемую среду можно направить  сверху вниз, а нагреваемую на встречу  ей, или наоборот. Выбор, какую среду  направить в межтрубное пространство, а какую внутрь трубок, решается сопоставлением ряда условий:

• среду с наименьшим значением следует направлять в трубки для увеличения скорости ее движения, а, следовательно, и для увеличения ее коэффициента теплоотдачи;
• внутреннюю поверхность трубок легче чистить от загрязнений, поэтому теплоноситель, который может загрязнять теплопередающую поверхность, следует направлять в трубки;
• среду под высоким давлением целесообразно направлять в трубки, опасность разрыва которых меньше по сравнению с кожухом;
• среду с очень высокой или, наоборот, с низкой температурой лучше подавать в трубки для уменьшения потерь тепла в окружающую среду.

          Работу кожухотрубных  теплообменников можно интенсифицировать, применяя трубы малого диаметра. Необходимо иметь в виду, что при уменьшении диаметра труб увеличивается гидравлическое сопротивление теплообменника.  
 

    

2. Исходные  данные

 
    

3. Тепловой  расчет

Определяем параметры  греющего пара для давления: 
 

Определяем расход первичного теплоносителя: 

Определяем расход вторичного теплоносителя: 

Где – теплоемкость воды при средней .

Для расчета  коэффициента теплоотдачи к внешней  поверхности трубки при конденсации  пара надо знать температуру внешней  поверхности стенки и высоту трубки. Эти значения неизвестны, поэтому  расчет проводим методом последовательных приближений. Определяем среднелогарифмический температурный напор: 

Задаемся  температурой стенки в первом приближении 

Задаемся  также высотой трубок .

Приведенная высота поверхности (длина трубки):

;

;

при , ,  

Режим течения турбулентный, поэтому расчет ведем по формуле: 

Здесь Pr, Pr_ст – числа Прандля для конденсата

При , ;

При , . 
 

Определим коэффициент  теплоотдачи к воде.

Среднеарифметическая  температура воды 

При физические свойства воды:

, , , .

Число Рейнольдса для вторичного теплоносителя (вода): 

Число Нуссельта  рассчитывают по формуле: 
 
 

Коэффициент теплоотдачи  от пара к воде: 

Средняя плотность  теплового потока 

Поверхность теплообмена: 

Число трубок в  одном ходе 

Число ходов 4 и  всего трубок .

Высота трубок в первом приближении:  

Температура стенок трубок 
 

Полученные  значения отличаются более чем на 10 %, поэтому производим повторный расчет, принимая . 

    

4. Повторный расчет

Пусть длина  трубки равна:  
 
 
 

Для вторичного теплоносителя при ,  

Коэффициент теплоотдачи:  

Коэффициент теплопередачи:  

Средняя плотность  теплового потока:  

Поверхность теплообмена: 

Число трубок в  одном ходе 111. Всего трубок сохраняются прежними.

Высота трубок во втором приближении: 

Температура стенок трубок: 
 

Совпадение  полученных значений с ранее принятыми  лежит в пределах точности расчет, таким образом, окончательно принимаем и .

Определяем внутренний диаметр корпуса теплообменника 

В данном случае выбираем шаг труб и коэффициент заполнения трубной решетки  

Определяем диаметры патрубков:

1. парового

 

При

2. водяного

 

При

Полученные значения диаметров патрубков следует  округлить до ближайших стандартных  размеров. 

    

5. Гидродинамический расчет.

Гидравлическое  сопротивление пароводяных подогревателей по межтрубному пространству при конденсации пара на пучке вертикальных или горизонтальных трубок, как правило, не определяется. Величина такого сопротивления при нормальной эксплуатации теплообменных аппаратов, работающих с небольшими скоростями греющего пара – до 10 м/с в межтрубном пространстве, очень мала.

Для вторичного теплоносителя (вода):

Сопротивление трения:

Коэффициент сопротивления  трения 
 
 

Коэффициент местных сопротивлений:

- удар и поворот  потока в входной и выходной  камерах 

- выход воды  из камер в трубки и выход  из трубок в камеры 

- поворот на  угол 180º в камерах  

Местные сопротивления: 

Общее сопротивление  вторичного теплоносителя: 

Мощность, необходимая  для перемещения теплоносителя: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    

6. Чертеж  пароводяного теплообменного аппарата.

Рисунок 1.