Расчет проточной части трубного пространства

Основную группу теплообменных аппаратов, применяемых в промышленности, составляют поверхностные теплообменники, в которых тепло от горячего теплоносителя передается холодному теплоносителю через разделяющую их стенку.

Так как имеет место сложный теплообмен излучением и конвекцией, то основное уравнение теплопередачи будет иметь вид:

 

 (1)

 

где Q – тепловой поток (расход передаваемой теплоты), Вт,

K – суммарный коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К),

F - площадь поверхности теплопередачи, м²,

Δt _ср – средняя разность температур горячего и холодного теплоносителя, К.

Суммарный коэффициент теплоотдачи определяется следующим образом:

 

 (2)

 

Коэффициент теплоотдачи для воды, передаваемой тепло конвекцией, равен:

 

 (3)

 

где Nu – критерий Нуссельта, характеризующий интенсивность перехода тепла на границе поток – стенка;

λ – коэффициент теплопроводности теплоносителя;

d – диаметр трубки.

Коэффициент Нуссельта для воды (при Re > 10000) найдем из соотношения:

 

 (4)

 

где Re – критерий Рейнольдса, характеризующий соотношение сил инерции и трения в потоке:

 

 (5)

 

Pr и Pr _ст – критерий Прандтля, характеризующий отношение вязкостных и температуропроводных свойств теплоносителя и стенки трубопровода.

Коэффициент теплоотдачи для дымовых газов, передаваемых тепло излучением, равен:

 

 (6)

 

где = 5,67 Вт / м²·К⁴ - коэффициент излучения абсолютно черного тела,

ε’ – степень черноты поверхности теплообменника;

ε_г – степень черноты дымовых газов;

T _г и T _в – средние температуры по Кельвину газов и воды соответственно.

Степень черноты дымовых газов найдем по соотношению [3]:

 (7)

 

где  - степени черноты углекислого газа и паров воды соответственно. Эти величины определяются по справочникам с учетом парциального давления газа и средней длины пути луча, который определяется по формуле:

 

 (8)

 

где d _н и d _в – наружный и внутреннийдиаметры трубки соответственно;

s ₁ и s ₂ – шаги размещения трубок поперек и вдоль тока среды соответственно.

Степень черноты поверхности теплообменника равна

 

 (9)

 

где  - степень черноты стенки трубки.

Термическое сопротивление стальной стенки и загрязнений равно:

 

 (10)

 

где r _загр1 и r _загр2 – тепловая проводимость загрязнений стенок;

δ – толщина стенки;

λ_ст – коэффициент теплопроводности стенки.

Тогда коэффициент теплопередачи будет равен:

 (11)

 

Средняя разность температур Δt _ср определяется следующим образом [2]:

 

 (12)

 

где Δt _б и Δt _м – большая и меньшая разности температур на концах теплообменника соответственно.

Если отношение , то с достаточной точностью вместо уравнения (12) можно применять следующее уравнение:

 

(13)

 

Следует отметить, что из уравнения (12) вытекает: если Δt _б =0 или Δt _м =0, то и Δt _ср =0; если Δt _б = Δt _м, то Δt _ср = Δt _б = Δt _м.

Если температура одного из теплоносителей в процессе теплопередачи не меняется вдоль поверхности (конденсация насыщенного пара, кипение жидкости), то среднюю разность температур Δt _ср также определяют по уравнениям (12) и (13).

Формулы (12) и (13) применимы при условии, что в теплообменнике значение коэффициента теплопередачи К и произведение массового расхода на удельную теплоемкость G ·с для каждого из теплоносителей можно считать постоянным вдоль всей поверхности теплообмена.

В тех случаях, когда вдоль поверхности теплообмена значительно меняется величина коэффициента теплопередачи К (или произведение массового расхода на удельную теплоемкость G ·с), применение средней логарифмической разности температур [уравнение (12)] становится недопустимым. В этих случаях дифференциальное уравнение теплопередачи решают методом графического интегрирования.

Среднюю температуру воды найдем по формуле:

 

 (14)

 

где t _{в нач} и t _{в кон} - начальная и конечная температуры воды соответственно.

Среднюю температуру дымовых газов найдем по формуле:

 

 (15)

 

Средний расход тепла, передаваемого от дымовых газов к воде, найдем по формуле:

 

 (16)

 

где G _в - весовой расход воды в теплообменнике;

c _в – средняя удельная теплоемкость воды;

t _{в нач} и t _{в кон} - начальная и конечная температуры воды соответственно.

Площадь поверхности теплообмена аппарата находится из соотношения (1):

 

 (17)

Расчетная длина трубок определяется по выражению:

 

 (18)

 

Из уравнения непрерывности потока:

 

 (19)

 

легко определяется площадь сечения трубок одного хода:

 

 (20)

 

где G – весовой расход рабочей среды, кг / с;

w - скорость движения, м / с;

γ – удельный вес среды, кг / м³.

Площадь сечения определяется также соотношением

 

 

 

откуда находим количество трубок одного змеевика

 

 (21)

 

где d _в – внутренний диаметр трубок.

Если по формуле (17) длина трубок окажется больше, чем 6 – 7 м, то следует принять несколько параллельно работающих змеевиков. Число ходов при этом составит:

 

 (22)

 

где L – рабочая длина трубок.

Общее количество трубок принятой длины L составит:

 

 (23)

 

Это количество трубок необходимо разместить в трубной плите и соответственно с принятым размещением определить диаметр корпуса аппарата.

 

1234	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: