Определение конечных температур греющего и нагреваемого теплоносителей

2. Конструкторский расчет

           2.1 Расчет недостающих параметров

Расход греющего теплоносителя находим из уравнения теплового баланса, которое имеет вид:

Q=G₁^.(h₁’-h₁’’)^.η= G₂^.c₂^.(t₂’’-t₂’) 

откуда

G₁=  , т/ч, где   h₁’=2778,3 кДж/кг – энтальпия греющего теплоносителя (пар) на входе;

h₁’’=762,8 кДж/кг - энтальпия греющего теплоносителя  на выходе;

c₂=4,254 кДж/(кг*К) – теплоемкость воды по средней температуре t_ср=0,5 ^.(t₂’’+t₂’)=125 ^оС  ;

η=0,98 – коэффициент удержания теплоты изоляцией;

G₂=500 т/ч – расход нагреваемого теплоносителя (воды);

t₂’’=150 ^оС – температура воды на выходе;

t₂’=100 ^оС – температура воды на входе;

G₁==53,84 т/ч

2.2 Конструктивный расчет

Задаемся наружным диаметром трубок d_н=25 мм, толщина стенки δ=1 мм, тогда внутренний диаметр d_вн=23 мм, трубы стальные бесшовные по ГОСТ8733-74, материал сталь 30.

Принимаем разбивку трубок по равностороннему треугольнику. Шаг разбивки будет равен:

S=1,3^.d_н=1,3^.25=32,5 мм

Задаемся количеством шестиугольников а=23, тогда общее число трубок в аппарате будет:

n=3^.a^.(a+1)+1=3^.23^.(23+1)+1=1657 шт.

Принимаем число ходов в аппарате z=1, тогда число трубок в одном ходу будет:

N==1657 шт.

Скорость воды в трубках

ω===0,216 м/с, где ρ=933,34 кг/м³ – плотность воды по средней температуре t_ср=0,5 ^.(t₂’’+t₂’)=125 ^оС

 Диаметр по центрам наружного ряда трубок будет:

____                           ____

D_тр=1,053^.S^. =1,053^.0,0325^. =1,511 м, где  η_тр=0,85 – коэффициент заполнения трубной решетки.

 2.3 Тепловой расчет

Уравнение теплопередачи имеет вид:

Q=k^.F^.Δt_ср,

Отсюда площадь поверхности теплообмена

F= , где  Δt_ср – среднелогарифмический температурный напор аппарата, вычисленный по                              формуле при схеме с постоянством температуры одного из теплоносителей.

Δt_ср= , ^оС

Задаемся температурой пара на входе t_н, на выходе t_к=t_н, где t_н=179,87  ^оС – температура насыщения пара при давлении Р=1 МПа,

Δt_ср== 50,84 ^оС

Коэффициент теплопередачи

К=,  Вт/(м^2.К), где α_{1 ,} α₂ – соответственно коэффициенты теплоотдачи греющего и нагреваемого     теплоносителей,  Вт/(м^2.К),

δ_ст=0,001 м – толщина стенки трубки;

λ_ст=47  Вт/(м^.К) – коэффициент теплопроводности стали 30 по t_ст;

Коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на горизонтальных трубах вычисляется по формуле Лабунцова:

α₁=0,728^., где ρ_к=876,87 кг/м³ – плотность конденсата при температуре насыщения t_н;

g=9,81 м/с² – ускорение свободного падения;

λ_к=0,67 Вт/(м^.К) – коэффициент теплопроводности конденсата;

ν_к=1,73^.10^-7 м²/с - коэффициент кинематической вязкости конденсата;

Задаемся температурой стенки t_ст=161,11  ^оС

α₁=0,728^.= 4590,08 Вт/(м^2.К),

Предполагая режим движения турбулентным, для расчета коэффициента теплоотдачи воды используем формулу Михеева:

Nu=0,021^.Re^0,8.Pr^0,43., где Re== =20598,6 - число Рейнольдса;

где  ν=2,415^.10^-7 м²/с - коэффициент кинематической вязкости воды по средней температуре t_ср=0,5 ^.(t₂’’+t₂’)=125 ^оС;

Pr=1,432 – число Прандтля  по средней температуре воды t_ср=0,5 ^.(t₂’’+t₂’)=125 ^оС;

Pr_ст=1,113– число Прандтля  по температуре стенки  t_ст=161,11 ^оС;

Тогда

Nu=0,021^.(20598,6)^0,8.(1,432)^0,43.=73,73;

Откуда коэффициент теплоотдачи воды равен:

α₂=Nu73,73=2199,76 Вт/(м^2.К), где λ=0,686 Вт/(м^.К)  – коэффициент теплопроводности по средней температуре воды      

t_ср=0,5 ^.(t₂’’+t₂’)=125 ^оС;

Тогда коэффициент теплопередачи

К== 1441,48 Вт/(м^2.К),

Отсюда площадь поверхности теплообмена

F== 403,06 м²,

Плотность теплового потока:

q===73286,5 Вт/м²

Уточняем температуру стенки:

t_ст1=t_н-=179,87-=163,91  ^оС

t_ст2=t_ср+=125+=158,32  ^оС

t_ст ’= t_ст1 + t_ст2=(163,91+158,32)^.0,5=161,11  ^оС

Расхождение между заданной и полученной температурой стенки Δt_ст=0  ^оС, поэтому пересчета не требуется.

Активная длина трубок

L===3,23 м,

Отрезная длина трубок:

L_отр=L+2^.0,02=3,23+0,04=3,27 м,

Проверка конструктивности аппарата:

1,5…25…7

=2,135;

Масса одного погонного метра трубы:

m1=(0,025²-0,023²)^.7800=0,588 кг/м, где ρ_м=7800 кг/м³ – плотность материала трубок;

Металлоемкость аппарата:

Ме=m1^.L^.n==3182,87 кг

      2.4 Гидравлический расчет

Общие потери давления в аппарате:

ΔP= ΔP_тр+ΔP_м, где  ΔP_тр – потери давления на трение, Па,

ΔP_тр=ξ,

где ξ – коэффициент трения, вычисляемый для 3000Re 100000 по формуле    

Блазиуса:

ξ===0,02641;

Тогда

ΔP_тр=0,02641=81,9 Па

ΔP_м – местные потери давления, Па

ΔP_м=Σψ_i , где Σψ_i=ψ₁ +ψ₂^.z+ z^.ψ₃ +(z-1)^.ψ₄ +ψ₅ – сумма коэффициентов местных сопртивлений;

ψ₁=ψ₅=1,5 – удар и поворот во входной и выходной водяных камерах;

ψ₂=0,5 – вход воды в трубки с закругленными краями;

ψ₃=1 – выход по прямому направлению;

ψ₄=2,5 – поворот потока воды в водяной камере на 180^о

ΔP_м=(1,5+0,5+1+0+1,5) =98,2 Па,

Тогда общие потери давления в аппарате:

ΔP=81,9+98,2=180,1 Па,

Затраты мощности на перекачку нагреваемого теплоносителя: