Тепловой конструктивный растет ТОА

Расчет теплообменника проводят последовательно в соответствии с общей блок-схемой [1].

Определение тепловой нагрузки в соответствии с уравнением теплового баланса:

 

Разобьем ТОА на 3 участка:

I. пар перегрет; 

II. конденсация пара;

 III. охлаждение конденсата.

Произведем раздельно расчет каждого участка.

1)Определение температуры нагреваемой среды на переходных участках

Для этого построим схему движения теплоносителей в ТОА и отметим все характерные точки:

Рис.2. Характер изменения температур рабочих сред при противотоке.

 

 

где

 

 

где,  [2]

2) Определение среднелогарифмическогонапора:

 

Участок I:

Участок II:

Участок III:

4)Определим среднюю разность температур:

 

Для теплоносителя, температура которого изменяется в ТОА на меньшее число градусов, среднюю температуру определяют, как среднее арифметическое между начальной и конечной.

 

Участок I:

Рис.3. Изменение температур греющей и нагреваемой среды

Пар	250		197,4
Азот	165		156,6

 

Участок II:

Рис.4. Изменение температур греющей и нагреваемой среды

Пар	197,4		197,4
Азот	47,6		156,6

Участок III:

Рис.5. Изменение температур греющей и нагреваемой среды

Пар	197,4		80
Азот	16		47,6

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом и др. В рассматриваемом испарители в трубное пространство целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, т. е.  пар. Это позволит выровнять скорости движения теплоносителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая таким образом коэффициент теплопередачи.

5)Определим количество труб в ТОА:

Зададимся скоростью движения в трубах

Суммарная площадь сечения труб тогда будет равна:

где, - плотность пара, м³/кг.

Площадь сечения одной трубы:

6)Определим количество труб (n):

Уточним скорость движения в трубах:

7)Произведем расчет коэффициента теплоотдачи для трубного пространства.

Участок I:

Определим число Рейнольдса по формуле:

где,

 Т.к. , режим течения турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах для тур-булентного режима движения найдем из уравнения:

где,

Nu– критерий Нуссельта:

где, - Критерий Прандтля.

Участок II:

Определим число Рейнольдса по формуле:

где,

 

 Т.к. , режим течения турбулентный

Коэффициент теплоотдачи при конденсации насыщенного пара внутри горизонтальных и вертикальных труб определяется по следующему уравнению[3]:

где, - коэффициент теплоотдачи при сплошном потоке конденсата внутри трубы, Вт/(м² ∙К);

– соответственно плотность пара и жидкости в состоянии насыщения, м³/кг.

Участок III:

 Определим число Рейнольдса по формуле:

где,

Т.к. , режим течения турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах для тур-булентного режима движения найдем из уравнения:

где,

8) Произведем расчет коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве:

Участок I:

 Определим число Рейнольдса по формуле:

 Задаемся скоростью азота

 

где, [5]

Т.к. , режим течения турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах для тур-булентного режима движения найдем из уравнения:

где,

где, ξ-угол атаки обтекания потока (для шахматного расположения труб =0,6)

Участок II:

Определим число Рейнольдса по формуле:

 Задаемся скоростью азота

где,

Т.к. , режим течения турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах для тур-булентного режима движения найдем из уравнения:

Участок III:

Определим число Рейнольдса по формуле:

 Задаемся скоростью азота

где,

Т.к. , режим течения турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах для тур-булентного режима движения найдем из уравнения:

Примечание:

Задались такими значениями скорости азота, так как с ростом температуры увеличивается и скорость, соответственно падает плотность азота, которая была посчитана для каждого участка:

r₁=0,9035м³/кг;r₂=1,01337м³/кг;r₃=1,285 м³/кг.

9) Определение коэффициента теплопередачи.

где,d_ср,d_вн,d_нар – средний, внутренний и наружный диаметры трубы, м;

l_ст - коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(м·К);

a₁  ,a₂  - коэффициенты теплоотдачи для внутренней и внешней стороны трубы, Вт/(с);

R_заг- термическое сопротивление загрязнений с обеих сторон стенки, (м²·К)/Вт;

При вычислении d_ср необходимо руководствоваться следующим правилом:

а) если a₁ ≥ a₂, то d_ср = d_нар;

б) если a₁ = a₂, то d_ср = 0,5(d_нар +d_вн);

в) если a₁ ≤ a₂, то d_ср = d_вн.

Участок I:

=

Участок II:

 =  Вт/м²

Участок III:

 = ,442

10) Определим площадь поверхности теплообмена

 

Уравнение теплопередачи служит для определения площади поверхности теплообмена и имеет следующий вид:

 

Следовательно:

где,k – коэффициент теплопередачи в теплообменном аппарате, Вт/(м²·К);

F – поверхность теплообмена, м²;

Dt_ср.лог–логарифмический напор, ^оС.

 

 

Участок I:

Участок II:

Участок III:

Определим расчетную площадь поверхности теплообмена по формуле:

∑

11) Определим длину трубы каждого участка:

где, n-число труб в пучке, м;

z-число ходов.

Участок I:

Участок II:

Участок III:

 

Определим общую длину труб теплообменного аппарата по формуле:

∑

12) Уточним температуру стенки

Температуру стенки определим графическим методом, путем приравнивания тепловых потоков.

Плотность теплового потока одинакова (q=const) следовательно:

q_hвн=

q_hнар=  (

где,

Участок I:

q_hвн= 174,088 Вт/м²;

q_hнар=  ( Вт/м² .

∆ =

Участок II:

q_hвн= 279,614 Вт/м²;

q_hнар=  ( Вт/м² .

∆ =

 

В инженерных расчетах допускается погрешность до 5% от полученного ранее значения. Эта погрешность вызвана неточностью расчета, так как для учета тех или иных параметров мы вводим новые коэффициенты, которые помогают более детально и точно смоделировать исследуемый объект.

 

Рисунок.6 Графическое решение расчета для участка I

 

Таблица1.Результаты расчета для участка I

Таблица 2. Результаты расчета для участка II

Участок III:

q_hвн= 165,009 Вт/м²;

q_hнар=  ( Вт/м² .

∆ =

 

Таблица 3. Результаты расчета для участка III

Рис.10Графическое решение расчета для участка III