Определение эскизной площади поверхности теплообмена.

Конструктивный расчет теплообменника начинается с определения значения эскизной площади поверхности теплообмена:

где и площади поверхностей зон СП и ОД соответственно, определяемые по следующим формулам:

где и – коэффициенты теплопередачи для зон СП и ОД, Вт/(м² К);

и – средние температурные напоры для зон СП и ОД, ⁰С.

Средний температурный напор, ⁰С, для каждой i – зоны определяется по уравнению:

где – коэффициент, учитывающий эффективность нагрева. Безразмерные величины определяются по уравнениям:

где индексом 1 обозначается температура греющего теплоносителя, 2 – нагреваемого, штрих характеризует вход, два штриха – выход теплоносителя. В случае, если хотя бы одного из коэффициентов A,P,R или Z равен нулю, то средний температурный напор, ⁰С, для конкретной зоны теплообмена можно оценить по формуле:

где и – соответственно наибольшая и наименьшая разность температур теплоносителя, ⁰С.

Для прямоточной схемы будут определяться:

Рисунок 2.13 – Графики температурных напоров при прямоточной (а) и противоточной (б) схеме движения теплоносителей

Расчет зоны СП.

По формулам (4) рассчитаем безразмерные величины:

Т.к. безразмерная величина A равна нулю, то средний температурный напор для зоны СП будет определяться по формуле (5), но сначала следует определить наибольшую и наименьшую разницу температур:

⁰C;

⁰C;

Средний температурный напор для зоны СП, ⁰C:

Разница температур для зоны СП (рисунки 2.12 и 2.13а):

Средняя температура греющей среды:

Средняя температура нагреваемой среды:

Принимаем коэффициент теплопередачи для зоны СП =2500 Вт/(м² К), эскизная поверхность теплообмена определится по формуле (2):

Расчет зоны ОД.

По формулам (4) рассчитаем безразмерные величины:

Средний температурный напор для зоны ОД, ⁰C, по формуле (3):

Разница температур для зоны ОД (рисунки 2 и 3а):

Средняя температура греющей среды:

Средняя температура нагреваемой среды:

Принимаем коэффициент теплопередачи для зоны ОД =500 Вт/(м² К), эскизная поверхность теплообмена определится по формуле (2):

По формуле (1) определим общую эскизную поверхность теплообмена подогревателя:

Расчет основных конструктивных размеров подогревателя.

Определение основных конструктивных размеров теплообменника начинаем с оценки объемных секундных расходов по каждому из теплоносителей.

Объемный секундный расход греющей среды (пара):

Объемный секундный расход нагреваемой среды (воды):

где , – плотности соответственно греющей и нагреваемой сред, кг/м³, которые определяются из следующих соотношений:

, .

Средняя температура греющей среды, ⁰C:

Средняя температура нагреваемой среды, ⁰C:

Удельный объем греющей среды:

.

Удельный объем нагреваемой среды:

.

Плотность греющей среды:

Плотность нагреваемой среды:

По формулам (6) и (7) определим:

объемный секундный расход греющей среды (пара):

Объемный секундный расход нагреваемой среды (воды):

Скорость теплоносителей, м/с, лимитируется оптимальным гидравлическим сопротивлением аппарата, а также эрозией материала труб в результате воздействия потока. Предварительное, ориентировочное значение скорости может быть найдено по формулам

для греющей среды (пара):

для нагреваемой среды (воды):

При конструктивном расчете теплообменного аппарата, как правило, предварительно из стандартного ряда выбирают диаметр труб трубного пучка. Рекомендовано принимать трубы с наружным диаметром а, следующих размеров: 17х1, 22х2, 25х2, 32х2,5, 38х2,5, 44,5х3, 51х3,5, 57х3,5 мм. В промышленных теплообменниках редко применяют трубы на­ружным диаметром менее 17 мм. Чаще всего устанавливают трубы наружным диаметром 22, 25, 32 и 38 мм (последние два размера относятся к стальным трубам). Для загрязненных жидкостей применяют трубы наружным диаметром 44,5, 51 и 57 мм.

Примем первоначально трубу с параметрами: 25х2.

– толщина стенки труб;

– наружный диаметр труб;

– внутренний диаметр труб.

При найденной скорости движения воды и известных средних параметрах ее в подог­ревателе, определяем число труб в его одном ходе по формуле:

Общая длина труб теплообменного аппарата, м:

Если общая длина труб теплообменного аппарата получается больше 7-9 м, то тепло­обменник выполняют многоходовым. При этом задаются величиной числа ходов z из чет­ного ряда 2, 4, 6, 8, 10 или 12 так, чтобы рабочая длина одного хода подогревателя из соображений компактности и технологичности находилась в пределах от 2 до 9 м. В мно­гоходовых аппаратах число ходов z принято выбирать четным, чтобы входной и выходной патрубки находились в одной крышке аппарата.

Если по расчету рабочая длина труб даже при большем числе ходов (6-8) получается неконструктивно велика, задаются меньшей скоростью теплоносителя или меньшим диа­метром труб, либо принимают меньшими обе величины.

Примем число ходов z=4.

Рабочая длина одного хода попадает в необходимый диапазон.

С учетом предварительно выбранного числа ходов определим общее количество труб в теплооб­менном аппарате, шт:

.