Тепловой расчет и выбор теплообменника

Любой теплообменный аппарат можно рассчитать по двум уравнениям теплового баланса и теплопередачи [3]:

, (1.1)

где Q – теплота, переданная от горячего теплоносителя к холодному, кВт;

m₁, m₂ – массовые расходы теплоносителей, кг/с;

с₁, с₂ – массовые теплоемкости теплоносителей, кДж/(кг·К);

t₁, t₂ – температуры горячего и холодного теплоносителей, ˚С;

индексы: ΄, ΄΄ - вход и выход теплоносителя;

η – КПД теплообменника.

Тепловой поток Q можно определить по уравнению теплопередачи, кВт:

. (1.2)

Здесь коэффициент теплопередачи k, кВт/(м²К). Для предварительного выбора секции теплообменника, в первом приближении задается примерное значение коэффициента теплопередачи k ≈ 2 кВт/(м²К); Δt – средняя логарифмическая разность температур между теплоносителями, К:

, (1.3)

если , или среднеарифметическая, К:

если , где – большая разность температур между теплоносителями в К для противотока при условии ; – меньшая разность температур, К.

Произведем тепловой расчет в пиковом режиме.

˚С;

˚С;

, следовательно, среднюю логарифмическую разность температур между теплоносителями найдем по (1.3):

˚С .

Выразим примерную поверхность подогревателя в пиковом режиме из (1.2), м²:

.

Произведем тепловой расчет в базовом режиме.

˚С;

˚С;

, следовательно, среднюю логарифмическую разность температур между теплоносителями найдем по (1.3):

˚С.

Выразим примерную поверхность подогревателя в пиковом режиме из (1.2), м²:

.

Так как значение примерной поверхности подогревателя в пиковом режиме больше, чем в базовом, то дальнейший расчет будем проводить для пикового режима.

По (1.1) определим массовые расходы горячей и холодной воды, принимая η = 0,9, кг/с:

;

.

Определение объемных расходов теплоносителей, м³/с:

,

где плотности воды ρ₁, ρ₂ (кг/м³) и теплоемкости с₁, с₂ (кДж/(К·кг)) находятся по табл.1.2 при средних температурах ˚С и ˚С.

Таблица 1.2

Теплофизические свойства воды на линии насыщения [3]

t, ˚С	ρ,кг/м3	с, кДж/(кг·К)	λ, Вт/мК	10-6 ν, м2/с	104 β, 1/К	Pr
		4,17	0,648	0,556	4,49	3,54
		4,18	0,659	0,478	5,11	2,98
		4,19	0,668	0,415	5,70	2,55
		4,20	0,674	0,365	6,32	2,21
		4,21	0,680	0,326	6,95	1,95
		4,22	0,683	0,295	7,52	1,75
		4,23	0,685	0,272	8,08	1,60
		4,25	0,686	0,252	8,64	1,47
		4,27	0,686	0,233	9,19	1,36
		4,29	0,685	0,217	9,72	1,26
		4,31	0,684	0,203	10,3	1,17

Определение необходимого проходного сечения теплообменника по трубам, м²:

,

где w – скорость горячей воды, которая задается в первом приближении в диапазоне 0,5 – 2,5 м/с. При меньших значениях скорости снижается коэффициент теплопередачи, а при больших – значительно возрастает гидравлическое сопротивление теплообменника, а следовательно и мощность привода насоса.

По определенному проходному сечению f₁ выбирается секция теплообменника, уточняются для нее скорости теплоносителей в трубах и межтрубном пространстве, м/с:

;

где f_T, f_MT – реальные проходные сечения по трубам и межтрубному пространству для выбранной секции. Выбран подогреватель марки МВН-2050-34. Трубные пучки этих подогревателей набраны из стальных труб диаметрами d_H =0,016 м и d_B = 0,0132 м.

Определение режимов движения теплоносителей:

где w – скорости теплоносителей, м/с;

d – внутренний диаметр труб для горячей воды и эквивалентный диаметр межтрубного пространства для холодной, м;

v – коэффициенты кинематической вязкости теплоносителей при их средних температурах, м²/с;

Re – числа подобия Рейнольдса для теплоносителей.

где d_В= 0,0132 м.

где d_Э = 0,0201 м.

Re>10⁴ в обоих случаях, значит режимы движения теплоносителей турбулентные и для расчета коэффициентов теплоотдачи следует использовать уравнение подобия:

где Pr – число Прандтля теплоносителей при их средних температурах;

Pr_С – числа Прандтля теплоносителей при температуре стенки труб, которая принимается в первом приближении, ˚С:

,

где t₁ и t₂ – средние температуры теплоносителей.

,

Учитывая малую толщину стальных труб и высокий коэффициент теплопроводности стали, коэффициент теплоотдачи можно определить по формуле для плоских стенок, Вт/(м²К):

где α₁ α₂ – коэффициенты конвективной теплоотдачи со сторон горячего и холодного теплоносителей, Вт/(м²К);

δ– толщина труб теплообменника, м;

λ– коэффициент теплопроводности стенки труб, Вт/(мК), λ = 46,5 по табл.XXVII[4].

δ₃/λ₃– термическое сопротивление загрязнений с внутренней и наружной поверхностей труб, (м²К)/Вт. δ₃/λ₃ = 0,0004-0,0006 по табл. 1-3 [1].

Определим коэффициенты конвективной теплоотдачи, Вт/(м²К):

,

Определим коэффициент теплоотдачи по формуле, Вт/(м²К):

где м.

Затем находим в первом приближении необходимую поверхность теплообмена по формуле, м²:

.

Определим температуру стенки, ˚С:

.

При t_C = 109,37˚С ≈110˚С Pr_C = 1,6.

Пересчет уравнений подобия:

,

Полученные результаты отличаются от первоначальных менее чем на 2%. Поэтому пересчет не требуется.

Определим количество секций теплообменника:

,

где F_C – поверхность теплообмена одной секции, м².