Расчет кожухотрубного теплообменника (стр. 2 из 4)
– плотность воды, кг/м3;
t1, t2 – начальная и конечная температура воды, 0С;
с – средняя удельная теплоемкость воды, Дж/(кгК).
Приравнивая правые части уравнений (4), определяем D:
(5)Определение средней движущей силы процесса теплопередачи tср
Для многоходового теплообменника имеет место смешанный ток движения теплоносителя. В расчетной практике рекомендуется определять среднюю разность температур, так же как при противотоке, а затем вводить поправку в виде коэффициента.
В случае конденсации пара на трубах расчет будет одинаков как для прямотока, так и для противотока, а значение коэффициента можно принять равным 1.
Для определения tср находим tmax, tmin, их отношение и tср по среднеарифметической или по среднелогарифмической формулам (6) или (7).
Для нашего случая горячий теплоноситель не изменяет своей температуры, т. к. процесс теплоотдачи идет при конденсации пара при tк.
Расчет площади поверхности теплообменника
Определим ориентировочную площадь теплообменника по формуле
Количество теплоты найдем из формулы 4
Q = D · r = 2,65 · 2150000 = 5,7 · 106 Вт.
Ориентировочный коэффициент теплопередачи возьмем как среднее значение (см. п. 1) (800 + 3500)/2 = 2150 Вт/(м2·К), тогда
м2.Определим количество труб на один ход
, (8)где n – число труб на один ход, N – общее число труб, z – число ходов, dвн – внутренний диаметр труб (в кожухотрубных теплообменниках обычно применяют трубы диаметрами 20? 2 и 25? 2 мм, поэтому n находят для обоих диаметров), Rе – число Рейнольдса, G – массовый расход воды, кг/с.
Число Рейнольдса Re характеризует соотношение между силами инерции и силами трения.
, (при d = 20? 2 мм); (9) 
, (при d = 25? 2 мм).Тогда
, 
.Значения n округляются до ближайшего меньшего целого.
По значению Fор из таблицы 4 выбираем стандартный теплообменник с близкой бoльшей площадью и близким значением n:
возможны 2 варианта: 1) одноходовой теплообменник площадью 34 м2 с числом труб 181 при диаметре труб 20? 2 мм; 2) одноходовой теплообменник площадью 35 м2 с числом труб 111 при диаметре 25? 2 мм. При практически одинаковой площади число труб на один ход во втором варианте более близко к расчетному значению, поэтому принимаем второй вариант. Технические характеристики теплообменника:
диаметр кожуха D = 400 мм,
диаметр труб d = 25? 2 мм,
число ходов z = 1,
общее число труб N = 111,
площадь поверхности теплообмена F = 35 м2,
длина (высота) труб H = 4 м.
Уточненный расчет поверхности теплообменника
Рассчитываем коэффициент 1 со стороны греющего пара для случая конденсации на пучке n вертикальных труб высотой Н:
= 2,04 
= 2,04 
= 6765 Вт/(м2К), (10)здесь r физические параметры конденсата при температуре пленки конденсата tк, Н – высота нагревательных труб, м; t – перепад температур между греющим паром и стенками труб (принимаем в пределах 3…80С).
Значения функции Аt для воды при температуре конденсации пара
| Температура конденсации пара tк, 0С | 100 | 110 | 120 | 140 | 160 | 180 |
| Аt | 6960 | 7100 | 7240 | 7340 | 7490 | 7520 |
О правильности расчетов судят, сопоставляя полученное значение 1 и его предельные величины, которые приведены в п. 1.
Рассчитаем коэффициент теплоотдачи α2 от стенок труб к воде.
Для этого необходимо выбрать уравнение подобия вида
Nu = ARemPrn (11)
В зависимости от величины числа Re определяют режим течения жидкости и выбирают уравнение подобия.
(12)Здесь w = 1 м/с – средняя скорость движения воды в трубном пространстве на 1 ход;
dвн = 0,025 – 2 0,002 = 0,021 м – внутренний диаметр трубы;
При Re > 104 имеем устойчивый турбулентный режим движения воды. Тогда:
Nu = 0,023 Re0,8 Pr0,43 (13)
Число Прандтля характеризует соотношение физических параметров теплоносителя:
= 
= 3,28. (14) 
= 
= 2309 Вт/(м2К)Сопоставляем полученное значение К с пределами для коэффициента теплопередачи, которые были указаны в п 1.
Определяем площадь поверхности теплообмена из основного уравнения теплопередачи по формуле (3):
= 
= 29 м2.Вновь по таблице 4 выбираем стандартный теплообменник:
площадь поверхности теплообмена F = 31 м2,
диаметр кожуха D = 400 мм,
диаметр труб d = 25? 2 мм,
число ходов z = 2,
общее число труб N = 100,
длина (высота) труб H = 4 м.
Запас площади
(запас площади должен быть в пределах 5…25%).
4. Механический расчет теплообменника
При расчете на внутреннее давление толщина стенки корпуса к проверяется по формуле:
+ С, (16)Принимаем нормализованную толщину стенки 8 мм.
Трубные решетки изготавливаются из листовой стали. Толщина стальных трубных решеток берется в пределах 15…35 мм. Она выбирается в зависимости от диаметра развальцованных труб dн и шага труб .
Расстояние между осями труб (шаг труб) τ выбирают в зависимости от наружного диаметра труб dн:
τ = (1,2…1,4)·dн, но не менее чем τ = dн + 6 мм.
При расчете фланцевых соединений задаются размером стягивающего болта. Принимаем во фланцевом соединении для аппаратов с диаметром Dв = 400…2000 мм стальной болт М16.
, (18)где Dб = Dн + 2L.
= 22,5 шт.L = 25 мм принимаем конструктивно так, чтобы удобно было работать ключом на фланцах. Число болтов фланцевого соединения принимают кратным четырем (nб = 4, 8, 12,…). Окончательно nб = 24.
Рис. 4. Фланцевое соединение
(19)доп =
, откуда h = 
.h =
= 25,5 мм.Принимаем толщину фланцев h = 25 мм.
5. Определение диаметров штуцеров
Диаметр штуцера (условный проход dу) на входе и выходе теплоносителей определяют по формуле:
(20)где V – секундный объемный расход жидкости или пара в штуцере, м3/с;
w – средняя скорость жидкости или пара в штуцере, м/с.
Скорости движения рабочих сред в трубах штуцеров лежат в пределах:
– для жидкостей w = (1… 3) м/с;
– для конденсата греющего пара w = (1 … 2) м/с;
– для пара w = (35 … 40) м/с
Величина V либо задана, либо определяется через массовый расход G и плотность среды.
Так для пара с расходом D, кг/с
м3/с,для воды
м3/с,где ρв = 985,5 кг/м3 плотность воды при ее средней температуре 550С,
для конденсата
м3/с,где ρв = 926 кг/м3 плотность конденсата (воды) при температуре пленки конденсата 1400С.
Диаметр штуцера для пара:
dуп =
= 0,21 м.Диаметр штуцера для воды:
dув =
= 0,127 м.Диаметр штуцера для конденсата: