Материал: Расчет трубчатого теплового аппарата

Рассчитаем средний температурный напор:

.

Общая площадь теплообмена:

.

Общая длинна труб теплообменника:

.

При средней температуре  на третьем участке, перегретый пар имеет физические характеристики:

l₁ = 4,72*10^-2 Вт/(м×К);

r₁ = 12,56 кг/м³;

n₁ = 1,56×10^-6 м²/с.

Определим скорость на участке перегрева водяного пара. Для унификации конструкции теплообменника, примем такой же диаметр трубочек как и на участке подогрева воды (экономайзера), а так же их количество. Скорость движения в трубочках составит:

Принимаем количество трубок:  = 32

.

Число Рейнольдса:

.

Для нахождения коэффициента теплоотдачи от жидкости  используем:

.

Подставляем численные значении:

.

Найдём коэффициент теплоотдачи от перегретого пара  для третьего участка:

.

Найдём коэффициент теплоотдачи  при движении кипящей воды в трубах на втором участке, тогда:

.

Подставляем численные значения:

.

Для нахождения коэффициента теплоотдачи на втором участке, нужно посчитать коэффициент теплоотдачи кипения:

.

Рассчитаем тепловой поток q:

.

Подставим численные значения:

.

Задаёмся давлением Р = 3 МПа. Для правильности расчета значение берём в барах.

.

Подставляем численные значения и определяем коэффициент теплоотдачи на втором участке:

Теперь необходимо найти коэффициенты теплоотдачи со стороны дымовых газов. Для этого зададимся размерами проточной части.

Проточная часть. Вид спереди

Высота корпуса: Н = 0,4 м;

Высота трубки: H_труб = 0.35 м;

Ширина корпуса: b = 2.3d_нар *(N_тр1+1).

Ширина рассчитывается с учетом того, что 32 трубочки расположены в два ряда, в шахматном порядке, таким образом что расстояние между осями трубочек одного ряда составляет 2.3 d_нар..

Найдем площадь газа:

Подставим численные значения:

.

Для того что бы найти число Рейнольдса на третьем участке, определим скорость дымовых газов.

Определяем параметры дымовых газов на третьем участке, при средней температуре:

n_г3 = 80,6*10^-6 м²/с;

r_г3 = 0,444 кг/м³;

Pr_г3= 0,63;

l_г3 = 6,76*10^-2 Вт/(м×К).

Рассчитаем и примем скорость движения дымовых газов при обтекании трубочек:

.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи на третьем участке, при поперечном обтекании трубочек дымовыми газами:

.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи на втором участке, при поперечном обтекании трубочек дымовыми газам.

Определяем физические характеристики при средней температуре:

n_г2 = 64,67*10^-6 м²/с;

Pr_г2= 0,92;

l_г2 = 5,93*10^-2 Вт/(м×К).

Найдем число Рейнольдса:

.

Число Nu:

.

Коэффициент теплоотдачи:

.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи на первом участке, при поперечном обтекании трубочек дымовыми газам.

Определяем параметры при средней температуре:

n_г1 = 45,67*10^-6 м²/с;

Pr_г1= 0,93;

l_г1 = 4,83*10^-2 Вт/(м×К).

Найдем число Рейнольсда:

.

Число Nu:

.

.

Корпус котла утилизатора выполнен из нержавеющей стали, марки 12Х18Н9Т.

Определяем физические характеристики:

r_н.с = 7950 кг/м³;

l_н.с = 14,4+0,016t Вт/(м×К).

Коэффициент теплопередачи трех участков теплообменного аппарата.

Третий участок:

Температура дымовых газов

l^III_н.с = 14,4+0,016·525=22,8 Вт/(м×К)

 .

Второй участок:

Температура дымовых газов

l^II_н.с = 14,4+0,016·427=21,2 Вт/(м×К)

 .

Первый участок:

Температура дымовых газов

l^I_н.с = 14,4+0,016·299=19,1 Вт/(м×К)

 .

Рассчитаем средний температурный напор для трех участков.

Первый участок:

.

Второй участок:

.

Третий участок:

.

Определим длину трубочек на трех участках.

Первый участок:

.

Второй участок:

.

Третий участок:

.

Уточним коэффициент теплоотдачи на втором участке, с новым значением длинны L₂ = 40.8 м.

Тепловой поток:

.

Коэффициент теплоотдачи кипения:

.

Коэффициент теплоотдачи на втором участке:

.

Коэффициент теплопередачи на втором участке:

.

Найдем новую длину второго участка, при новых значениях:

.

При пересчёте, было выяснено, что длина второго участка увеличилась. В дальнейших расчётах принимаем L_II = 42.4 м.

Определим количество загибов трубочек на участках.

.

Первый участок:

.

Примем число загибов равным 57.

Второй участок:

.

Третий участок:

.

Примем число загибов равным 21.

2.2 Гидравлический расчет

Гидравлический расчет теплообменного аппарата включает в себя определение необходимой мощности, затрачиваемой на перемещение в нем теплоносителей:

где V - объемный расход теплоносителя, - перепад давления в потоке теплоносителя.

Гидравлическое сопротивление трения проявляется на участках безотрывного течения теплоносителя в каналах. Потери давления на преодоление сил трения во входном и выходном патрубках рассчитываются по формуле:

где x - коэффициент сопротивления трения, r и w - средняя плотность и средняя скорость рабочей среды в канале, l - длина канала.

Коэффициент сопротивления трения будет определяться по следующей формуле:

Потери давления на поворот потока определяются по формуле:

где  - коэффициент местного сопротивления при повороте.

Потери на трение по длине трубок:

Потери на обтекание трубного пучка:

Расчётная часть

Схема гидравлических потерь

Определим коэффициент сопротивления трения воды. Участок 1-2 равен участку 43-44.

.

Так как поток турбулентный (Re = 33613), коэффициент гидравлического трения определяется по формуле Блазиуса:

.

Параметры воды при температуре 124 ºС:

r₂ = 941,42 кг/м³;

w₂ = 0.5 м/с²;

.

Потери на трение потока, на участке 1-2, 43-44, рассчитываются как:

.

Рассмотрим участки 3-1..41-42. Они равны между собой. Определим коэффициент сопротивления трения воды. Участки 3-4…41-42 равны между собой.

.

Определим потери потока при повороте.

Участки 2-3, 4-5…40-41, 42-43 равны между собой.

.

Коэффициент трения:

.

Длина поворота:

.

Коэффициент поворота зависит от градуса поворота. Так как поворот составляется 180ºС, используем коэффициент поворота равный