3. Расчет кожухотрубного рекуперативного теплообменника.

Задание: определить количество трубок кожухотрубного теплообменника, число ходов по нагреваемой воде и температуру, до которой ее можно нагревать. Трубки стальные: d_вн=32 мм, d_нар=38 мм, длина l=3,5 м. Диаметр корпуса D=0,5 м. Расходы греющей и нагреваемой воды: G₁=13 кг/с, G₂=16 кг/с. Температуры на входе в теплообменник: =115°С, =25°С, скорости горячей и нагреваемой воды: V₁=2 м/с, V₂=1 м/с.

Направление движения теплоносителей противоточное, так как при прочих равных условиях оно обеспечивает большую разность температур, чем прямоток. Теплоноситель с меньшим расходом следует направить внутрь труб, а теплоноситель с большим расходом – в межтрубное пространство. Число ходов теплообменника для теплоносителя внутри труб выбирают в пределах Z=1-6, причем многоходовые теплообменники более компактны. В чисто учебных целях примем Z=1, что несколько упрощает расчет.

3.1. Расчет коэффициентов теплоотдачи

Предварительно задаемся t’’₁=80⁰С, t’’₂=55⁰С. Следовательно средние температуры: t₁=(115+80)/2=97.5^оС, t₂=(55+25)/2=40^oС.

1) Расчет коэффициента теплоотдачи α₁ со стороны горячего теплоносителя выполним по критериальной формуле для продольного обтекания трубного пучка, выбор которой зависит от режима течения.

Найдем значение критерия Рейнольдса:

где v_f – кинематическая вязкость воды при ее средней температуре 97,5⁰С;

l=d_экв – определяющий размер для межтрубного пространства, равный его эквивалентному диаметру.

,

где f – поперечное сечение межтрубного пространства,

П – полный смоченный периметр,

S – шаг труб.

Шаги труб выбираются из соотношения S=(1.3-1.5)d_нар[1]. Примем S₁=S₂=1.5d_нар=1,5*38=57мм.

Проходное сечение:

Периметр:

Для воды при t₁=97.5⁰C найдем v_f=0.302*10^-6 м²/с.

Т.к. >10⁴, режим течения турбулентный. В этом случае для продольного омывания трубного пучка применим формулу:

Найдем теплофизические свойства воды, необходимые для расчета. При t₁=97.5⁰C имеем: Pr_f=1,81 ; λ_f=0,715Вт/(мК). Величина определяется для воды при температуре стенки t_w,1= получаем .

Среднее значение коэффициента теплоотдачи для трубного пучка:

2) Расчет коэффициента теплоотдачи α₂ для движения воды внутри труб ведется в той же последовательности.

Найдем значение критерия Рейнольдса:

l=d_вн – определяющий размер.

Теплофизические параметры воды при t₂=40^oC:

v_f=0.658*10^-6м²/с; λ_f=0,619Вт/(мК); Pr_f=4,34.

Величина определяется для воды при температуре стенки t_w,2= получаем .

Режим турбулентный, тогда расчетная формула имеет вид:

3.2. Расчет коэффициента теплопередачи

Определим коэффициент теплопередачи по формуле:

где δ=1/2(d_нар-d_вн) – толщина стенки трубы в м: δ=1/2(38-32)=3мм=0,003м.

- коэффициент теплопроводности материала трубы, для стали .

3.3. Конструктивный расчет теплообменника

1) Найдем поперечное сечение труб по воде, обеспечивающее заданную скорость движения теплоносителя V₂=1м/с. Из уравнения сплошности:

где - плотность воды при t₂=40^oC.

Зная поперечное сечение трубы:

найдем число трубок при числе ходов Z=1:

Определим поверхность теплообменника:

2) Уточним температуры:

Значения = 0.41 находим из таблицы значения функции при противотоке по коэффициентам:

Значения , незначительно отличаются от принятых заранее.

3) Определим тепловой поток: