Материальные и тепловые расчеты - Тепловой расчет рекуперативного теплообменника
Общая часть.
1. Определим расход теплоты и расход воды. Примем индекс "1" для горячего теплоносителя (бензол + толуол), индекс "2" - для холодного теплоносителя (вода).
Предварительно найдем среднюю температуру воды:
T2 = 0,5 (10 + 25) = 17,5 С;
Среднюю температуру смеси бензол-толуол:
= 31 + 17,5 = 48,5 С; (3.1)
Где - средняя разность температур, равная при потоке теплоносителей 31 С.
+80,5 25 С;
+25 10 С;
;
= 31 С; (3.2)
Без учета потерь тепла расход теплоты:
Вт; (3.3)
Расход воды аналогично (3.3) выразив через расход:
кг/с; (3.4)
Где =1927 Дж/(кг К) и =4190 Дж/(кг К) - удельные теплоемкости смеси и воды при их средних температурах =48,5 С и =17,5 С [1, рис. XI и таб. XXXIX].
Объемные расходы смеси и воды:
(3.5)
(3.6)
Где и - плотность смеси берем как для чистого бензола, так как содержание толуола не велико и изменение плотности очень не значительное [1, таб. IV] и воды [1, таб. XXXIX].
Наметим варианты теплообменных аппаратов.
Для этого определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая Кор = 500 по [1, таб. 4.8], т. е. Приняв его таким же, как и при теплообмене от жидкости к жидкости для воды:
; (3.7)
Из величины = 23 следует, что проектируемый теплообменник может быть много ходовым. Поэтому для правильности расчета нужно сделать поправку для многоходовых теплообменников.
В аппаратах с противоточным движением теплоносителей при прочих равных условиях больше чем в случае прямотока. При сложном взаимном движении теплоносителей принимает промежуточные значения, которые учитывают, вводя поправку к средне логарифмической разности температур для противотока.
; (3.8)
Где ; ;
; ;
; ; ;
;
Рассчитаем коэффициент по формуле (3.8)
;
= С; (3.9)
Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Смесь бензол-толуол направим в трубное пространство, так как это активная среда, воду - в межтрубное пространство.
В теплообменных трубах 25*2 мм холодильников по ГОСТ 15120-79 скорость течения смеси при Re 2 > 10000 должна быть более
(3.10)
Где - вязкость смеси при 48,5 С; [1, с. 556].
Число труб, обеспечивающих такой режим, должно быть:
; (3.11)
Т. е. число труб n < 44,9 на один ход.
Выберем варианты теплообменников [2, таб. 2.3]:
Теплообменник "кожухотрубный" D = 600; d = 25*2; z=6; n/z = 32,7;
SВ. П. = 0,037 ; F = 61 ; L = 4 м; SВ. П. = 0,011.
2. Теплообменник "кожухотрубный" D = 600; d = 25*2; z=4; n/z = 51,5; SВ. П. = 0,04 ; F = 65 ; L = 4 м; SВ. П. = 0,018.
Вариант 1. Теплообменник "кожухотрубный" (ГОСТ 15120-79)
Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быт более
Составим схему процесса теплопередачи (Рис. 3.1).
А) В трубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для смеси бензол-толуол.
Бензол-толуол
Вода
Рис. 3.1 (к первому варианту расчета)
; (3.12)
;
; (3.13)
;
Где =0,14 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности смеси бензол-толуол [1, рис. X].
Рассчитаем критерий Нуссельта для турбулентного течения смеси:
; (3.14)
Где примем равному 1, и соотношение =1 с дальнейшей поправкой.
Коэффициент теплоотдачи смеси бензол-толуол к стенке:
; (3.15)
Б) Межтрубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды. Скорость воды в межтрубном пространстве.
; (3.16)
Критерий Рейнольдса для воды:
; (3.17)
Где =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX], = 998 при температуре +17,5 С;
Критерий Прандтля для воды при +17,5 С:
; (3.18)
Где =0,59 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].
Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000.
; (3.19)
Где - плотность воды при 17,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности воды при 10 и 25 С; =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX] - динамический коэффициент вязкости воды при 17,5 С.
;
Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28]
; (3.20)
Примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость воды при 17,5 С и температуре стенки соответственно по формуле (3.20).
;
Коэффициент теплоотдачи для воды:
; (3.21)
Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI]:
; (3.22)
;
Коэффициент теплопередачи:
; (3.23)
Поверхностная плотность потока:
; (3.24)
Определим ориентировочно значения и, исходя из того, что
; (3.25)
Где сумма.
Найдем: С; (3.26)
С; (3.27)
С; (3.28)
Проверка: сумма ;
12,3 + 4,3 + 8,5 = 25,1 С;
Отсюда
С; (3.29)
С; (3.30)
Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив. Критерий Прандтля для смеси бензол-толуол при С;
;(3.31)
Где [1, с.262]; [1, с.556]; [1, с.561].
Коэффициент теплоотдачи для смеси:
(3.32)
Коэффициент теплоотдачи для воды:
(3.33)
Где [1, таб. XXXIX];
Исправленные значения К, q, и (3.23):
;
; (3.34)
С; (3.35)
С; (3.36)
(3.37)
(3.38)
Дальнейшее уточнение, и других величин не требуется, так как расхождение между крайними значениями не превышает 5%.
Расчетная площадь поверхности теплопередачи:
; (3.39)
Запас
Вариант 2. Теплообменник "кожухотрубный" (ГОСТ 15120-79)
Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быт более
Составим схему процесса теплопередачи (Рис. 3.2).
А) В трубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для смеси бензол-толуол. Рассчитаем Рейнольдс по формуле (3.12)
Бензол-толуол Вода
Рис. 3.2 (ко второму варианту расчета)
;
Критерий Прандтля (3.13).
;
Где =0,14 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности смеси бензол-толуол [1, рис. X].
Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000.
Где - плотность воды при 48,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности смеси при 25 и 80,5 С; =0,00045 Па с [1, с.556] - динамический коэффициент вязкости смеси при 48,5 С.
;
Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28]
Примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость смеси бензол-толуол при 48,5 С и температуре стенки соответственно. Рассчитаем по формуле (3.20).
;
Коэффициент теплоотдачи для смеси бензол-толуол (3.15):
;
Б) Межтрубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды. Скорость воды в межтрубном пространстве (3.16).
;
Критерий Рейнольдса для воды (3.17):
;
Где =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX], = 998 при температуре +17,5 С;
Критерий Прандтля для воды при +17,5 С (3.18):
;
Где =0,59 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].
Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000 (3.19).
;
Где - плотность воды при 17,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности воды при 10 и 25 С; =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX] - динамический коэффициент вязкости воды при 17,5 С.
;
Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28]
Примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость воды при 17,5 С и температуре стенки соответственно (3.20).
;
Коэффициент теплоотдачи для воды (3.21):
;
Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI] (3.22):
;
Коэффициент теплопередачи (3.23):
;
Поверхностная плотность потока (3.24):
;
Определим ориентировочно значения и, исходя из формулы (3.25).
Найдем: С; (3.26)
С; (3.27)
С; (3.28)
Проверка: сумма ;
13,9 + 3,6 + 7,6 = 25,1 С;
Отсюда
С; (3.29)
С; (3.30)
Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив. Для смеси бензол-толуол при С и воды при С;
Коэффициент теплоотдачи для смеси (3.33):
Где - кинематическая вязкость [1, с.556].
Коэффициент теплоотдачи для воды (3.33):
Где - вязкость воды при температуре стенки [1, таб. XXXIX];
Исправленные значения К, q, и (3.23),(3.34),(3.35) и (3.36):
;
;
С;
С;
Проверка расхождения по формулам (3.37) и (3.38).
Дальнейшее уточнение, и других величин не требуется, так как расхождение между крайними значениями не превышает 5%.
2.4. Расчетная площадь поверхности теплопередачи (3.39):
;
Запас
Гидравлический и экономический расчет
Расчет гидравлического сопротивления. Сопоставим два выбранных варианта кожухотрбчатых теплообменников по гидравлическому сопротивлению.
Вариант 1. Скорость жидкости в трубах
; (4.1)
; (4.2)
Коэффициент трения рассчитываем по формуле (4.2):
;
Где - высота выступов шероховатости на поверхности, d - диаметр трубы.
Диаметр штуцеров в распределительной камере - трубного пространства, - межтрубного пространства [2, с.55].
; (4.3)
Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле (4.3).
В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, 5 поворотов на 180 градусов, 6 входов в трубы и 6 выходов из них. В соответствии с формулой [2, форм. 2.35] получим
(4.4)
Рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле (4.4)
Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве, ; примем округляя в большую сторону 9. Число сегментных перегородок x = 10 [2, таб. 2.7]
Диаметр штуцеров к кожуху - межтрубного пространства [2, с.55], скорость потока в штуцерах по формуле (4.3)
Скорость потока в наиболее узком сечении [2, таб. 2.3]
(4.5)
В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 10 поворотов сегменты и 11 сопротивлений трубного пучка при его обтекании
(4.6)
Рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле (4.6)
Вариант 2. Скорость жидкости в трубах (4.1)
;
Коэффициент трения рассчитываем по формуле (4.2):
;
Диаметр штуцеров в распределительной камере - трубного пространства, - межтрубного пространства [2, с.55].
Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле (4.3).
В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, 3 поворотов на 180 градусов, 4 входов в трубы и 4 выходов из них. В соответствии с формулой [2, форм. 2.35] рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле (4.4)
Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве, ; примем округляя в большую сторону 9. Число сегментных перегородок x = 10 [2, таб. 2.7]
Диаметр штуцеров к кожуху - межтрубного пространства [2, с.55], скорость потока в штуцерах по формуле (4.3)
Скорость потока в наиболее узком сечении [2, таб. 2.3]
(4.5)
В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 10 поворотов сегменты и 11 сопротивлений трубного пучка при его обтекании. Рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле (4.6)
Экономический расчет
Вариант 1. Масса теплообменника по [2, таб. 2.8]
Чтобы оценить стоимость аппарата необходимо рассчитать массу теплообменных труб.
(5.1)
Где по [1, с.529]
Доля массы труб от массы всего теплообменника
Цена единицы массы теплообменника по [2, таб. 2.17] Цтр = 0,99 руб/кг. Цена теплообменника
Энергетические затрату с учетом КПД насосной установки на прокачивание горячей жидкости по трубам составит:
(5.2)
Где по практическим расчетам [2, с.82].
Энергетические затраты на прокачивание холодной жидкости по межтрубному пространству
(5.3)
Приведенные затраты составят
(5.4)
Где 8000 - время работы насосов в году; = 0,02 - стоимость одного киловата энергии руб/кВт.
Вариант 2. Масса теплообменника по [2, таб. 2.8]
Чтобы оценить стоимость аппарата необходимо рассчитать массу теплообменных труб (5.1).
Доля массы труб от массы всего теплообменника
Цена единицы массы теплообменника по [2, таб. 2.17] Цтр = 0,975 руб/кг. Цена теплообменника
Энергетические затрату с учетом КПД насосной установки на прокачивание горячей жидкости по трубам составит (5.2):
Где по практическим расчетам [2, с.82].
Энергетические затраты на прокачивание холодной жидкости по межтрубному пространству (5.3)
Приведенные затраты составят (5.4)
Выводы
Для наглядности результаты расчетов сведем в таблицу. Из (таб. 1) видно, что разница между приведенными затратами выбранных вариантов
Таблица 1.
Технико-экономические показатели |
Вариант 1 |
Вариант 2 |
D, м |
0,6 |
0,6 |
L, м |
4 |
4 |
K, |
306,7 |
250,1 |
F, |
61 |
65 |
M, кг |
2290 |
2290 |
0,03495 |
0,01379 | |
680,1 |
669,9 | |
5,6 |
2,4 | |
П, |
685,7 |
672,3 |
Незначительна. Но все-таки наиболее экономичным является второй вариант по приведенным затратам. К тому же у второго варианта больший запас поверхности, что дает преимущества, при загрязнении аппарата, перед первым вариантом.
Похожие статьи
-
Введение - Тепловой расчет рекуперативного теплообменника
Теплообменник - теплообменный аппарат, устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями либо между...
-
Расчет теплового режима ограждения, Расчет толщины утепляющего слоя - Строительная теплофизика
Расчет толщины утепляющего слоя - Определим требуемое сопротивление, исходя из санитарно-гигиенических комфортных условий по формуле: - R01тр...
-
1 этаж 2 этаж Подвал Расчет теплопотерь здания через Неутепленные пол и стены примыкающие К грунту по общепринятой методике Исходные данные Обозна- Чения...
-
Определение расхода воды в системе отопления Расход теплоносителя определяется по формуле: - удельная теплоемкость воды; - расчетные теплопотери...
-
Тепловой расчет теплоизоляционной конструкции - Гидравлический расчет водяных тепловых сетей
В конструкциях теплоизоляции оборудования и трубопроводов с температурой содержащихся в них веществ в диапазоне от 20 до 300°С для всех способов...
-
Гидравлический расчет трубопроводов производится для основного циркуляционного кольца. При этом рекомендуется расчет проводить методом удельных потерь...
-
Уравнение теплового баланса Расчетная тепловая нагрузка системы отопления в Вт определяется по формуле: А) для комнат жилых зданий При При ; Б) для...
-
Расчет тепловой изоляции тепловой сети - Теплоснабжение жилого района в города Пенза
УR - является суммарным термическим сопротивлением, (м*°С)/Вт, на пути потока тепла от теплоносителя в канал или ококружающую среду. Л - коэффициент...
-
Расчет неподвижных опор с углом поворота Рассмотрим в качестве примера участок УП2 в соответствии с монтажной схемой. Определить напряжение от...
-
Плотность воздуха в помещении, при заданной температуре tв, и сн на улице при температуре самой холодной пятидневки С =, Где µ - молярная масса воздуха,...
-
Теплопотери, для каждой ограждающей конструкции помещения рассчитываются по формуле: , Где - площадь ограждающей конструкции, - коэффициент теплопередачи...
-
Расчет тепловой мощности системы отопления
Расчет тепловой мощности системы отопления В соответствии с руководством по техническому расчету культивационных сооружений расчет тепловой мощности...
-
Для определения расхода топлива разработки эксплуатационных режимов и графиков ППР, оборудования графиков работы и отрезков, А также должностных...
-
1. Основные условия при проектировании тепловой сети: В зависимости от геологических, климатологических особенностей местности, выбираем тип прокладки...
-
Ускорение твердения бетона позволяет быстрее получить изделия с отпускной прочностью, повысить оборачиваемость форм и другого оборудования, а так же...
-
Расчет сальникового компенсатора на тепловые удлинения Из СНИПа "Тепловые сети" 41-02-2033 п.7.31. сальниковые стальные компенсаторы допускается...
-
Характеристика и объемно-планировочное решение здания Здание панельное одноэтажное, с кирпичной вставкой на входе. Также из кирпича выполнена наружная...
-
Преимущества пластинчатого теплообменника - ИТП - индивидуальный тепловой пункт
Водоснабжение теплообменник циркуляционный Теплообменник любой конструкции представляет собой аппарат, основной функцией которого является передача тепла...
-
Расчет тепловой нагрузки на систему отопления - Теплотехнические характеристики двухэтажного здания
Двухэтажное здание с уровнем пола первого этажа на 1 м выше поверхности земли. Высота стыка (от пола до пола) - 3м; толщина междуэтажных перекрытий - 0,3...
-
Конструкция наружной стены Требуемое сопротивление теплопередаче: Наружные стены и покрытия( в том числе вентилируемые наружным воздухом),зенитные...
-
Общие положения При расчете потерь теплоты помещениями учитываются: - основные и добавочные потери теплоты через ограждения Q Осн - бытовые...
-
Определение тепловой нагрузки на отопление - Жилое строительство
Расход тепловой энергии на отопление жилых, общественных и производственных зданий следует принимать в соответствии с индивидуальным проектом здания или...
-
Теплотехнический расчет ямной пропарочной камеры - Тепловая обработка бетона
Исходные данные для теплотехнического расчета приведены в таблице 1. Таблица 1- Исходные данные для теплотехнического расчета ямной пропарочной камеры...
-
Режим работы предприятия и производственная программа Отделение, участок, цех Рабочих Дней В году, JФ Рабочих Смен в Сутки Длительность смены, ч...
-
Проектирование временных зданий и сооружений Временные здания устраивается только на период возведения основного объекта и должны обеспечивать нормальные...
-
Рабочие площадки располагаются внутри производственного здания и служат для размещения на них стационарного и подвижного оборудования, складов материалов...
-
Расчет конденсации влаги в толще ограждения - Строительная теплофизика
Расчет влажностного режима ограждения при стационарных условиях диффузии водяного пара производится графическим методом для периодов с отрицательными и...
-
Ш бетонная смесь - 1,5 %, Ш цемент - 1 %, Ш крупный заполнитель - 2,0 %, Ш мелкий заполнитель - 1,5 %, Ш вода - 1,0 %. Таблица 2 Годовое количество...
-
Исходные данные 1. Продуктивность технологической линии: N=25000 м/год. 2. Подвижность бетонной смеси - 4 см. 3. Класс бетона - В20. 4. Характеристика...
-
Выбор системы отопления и типа нагревательных приборов Принимается система водяного, однотрубного отопления с последовательным присоединением приборов с...
-
В организациях должны быть разработаны и утверждены инструкции по охране труда как для работников отдельных профессий (электросварщиков, слесарей,...
-
Распределение давлений в тепловых сетях удобно изображать в идее пьезометрического графика, которые дает наглядное представление давлении напоре в любой...
-
Аналогично жилым зданиям рассчитывается и для общественных зданий. Тепловой поток на отопление общественных зданий определяется по формуле: Qот....
-
Исходные данные - Теплотехнический расчет плоской чердачной неэксплуатируемой крыши
Техническое задание. В связи с неудовлетворительным тепло-влажностным режимом здания необходимо произвести утепление плоской чердачной неэксплуатируемой...
-
Схемы присоединения отопительных систем делятся на зависимые и независимые. Наибольшее применение в настоящее время имеют зависимые схемы как более...
-
Раздел содержит следующие пункты: район строительства - г. Набережные Челны; характеристика здания: назначение - дом отдыха, этажность - 4, высота этажа...
-
Подбор диаметров труб участков магистрали и ответвления при предварительном гидравлическом расчете произведен в зависимости от расходов воды и удельных...
-
Проектирование тепловых сетей начинается с выбора трассы и способа их прокладки. В городах и других населенных пунктах трасса должна предусматриваться в...
-
Регулирование вентиляционной нагрузки - Гидравлический расчет водяных тепловых сетей
Регулирование отпуска теплоты на вентиляцию можно осуществить изменением расхода сетевой воды или нагреваемого воздуха. Регулирования отпуска теплоты на...
-
Исходные данные В таблице 3.1 приведены данные для выполнения теплотехнического расчета. Таблица 3.1 - Исходные данные Тип объекта: Жилое здание...
Материальные и тепловые расчеты - Тепловой расчет рекуперативного теплообменника