Примеры расчета сложного теплообмена

Входной контроль знаний у студентов по основам

ЗАДАНИЕ № 1

Вопрос 1. В сосуде объемом  см³ находится в равновесии смесь сухого насыщенного пара и кипящей воды с общей массой  кг. Температура внутри сосуда . Найти степень сухости пара и покажите его состояние в -диаграмме.

Ответ: .

Вопрос 2. На рисунке показана схема теплообменника поверхностного типа (ТА). Все параметры состояния потоков и их расходы известны в указанных точках. Запишите уравнение теплового баланса.

Вопрос 3. Пользуясь -диаграммой влажного воздуха, определите параметры влажного воздуха, если показания сухого и мокрого термометров соответственно равны:  и .

Ответ: ;  г/кг;  кДж/кг.

Вопрос 4. В каком случае недопустимо наложение тепловой изоляции на трубопровод?

1) ;

2) рис. 1.1;

3) ;

4) ;

5) .

Рис. 1.1. К расчету линейного
термического сопротивления

Вопрос 5. Покажите путь расчета температурного напора для противоточной схемы ТА и приведите пример его расчета.

ЗАДАНИЕ № 2

Вопрос 1. Укажите ошибочное утверждение о физике кипения:

1. Перегрев жидкости необходим при кипении.

2. Центрами парообразования являются впадины микрошероховатости нагрева, пузырьки газа, абсорбированного и выделенного поверхностью нагрева или жидкостью, твердые частички, осевшие на поверхность.

3. Число действующих центров парообразования уменьшается с ростом перегрева жидкости у поверхности нагрева.

4. При пузырьковом кипении основная часть теплового потока от поверхности передается жидкой фазе.

Вопрос 2. Дымовые газы в основном состоят из воздуха (массовая доля ) и СО. Их температура . Свойства газов обладают и подчиняются законам идеального газа. Чему равна энтальпия всей смеси? (Задачу решить, используя таблицы термодинамических свойств газов).

Вопрос 3. В чем отличие поверочного от конструктивного теплового расчета любого теплообменного аппарата?

Вопрос 4. На рисунке изображен цикл в -диаграмме. Изобразите этот цикл в -диаграмме. Получите расчетное выражение термического КПД – . Докажите, что полученное Вами выражение верно.

По какому из соотношений следует вычислить среднюю длину луча для газов, находящихся в камере – параллелепипеде?

1. .

2. .

3. .

4. .

Здесь  – шаг;  – диаметр;  – объем;  – поверхность.

ЗАДАНИЕ № 3

Вопрос 1. В трубе течет со скоростью  м/с водяной пар при  бар и со степенью сухости . Расход пара  т/ч. Определите внутренний диаметр трубы.

Ответ:  м = 47,0 мм.

Вопрос 2. Как определить полное количество тепла, отданное пластиной толщиной  (безграничной по  и ) при ее стационарном охлаждении до температуры окружающей среды?

1. ;       2. ;

3. ; 4. .

Вопрос 3. В каком режиме, обозначенном на кривой кипения, следует обеспечить работу аппарата для получения водяного пара?

    1

    2

3

4

  5

Вопрос 4. На рисунке изображены два «одинаковых» цикла. В чем их различие?

Вопрос 5. Физический смысл числа  и его значение в задачах теплообмена?

ЗАДАНИЕ № 4

Вопрос 1. Водяной пар при  бар и  расширяется в паровой турбине до  бар. Процесс считается обратимым ( ). Найти конечное состояние водяного пара (по таблицам). Изобразите данный процесс в -диаграмме.

Вопрос 2. Какая из формул для вычисления коэффициента теплопередачи точнее соответствует условиям теплопередачи, представленной на схеме?

1)  Вт/м² К;

2)  Вт/м² К;

 3)  Вт/К.

Вопрос 3. На рисунке показаны три различных термодинамических цикла

Ставится задача:

1. Какой из циклов реально можно обратить в цикл холодильной установки, и из каких элементов она будет состоять?

2. Чем вызвана необходимость применения вторичного перегрева (4-5)?

Вопрос 4. Составьте уравнение теплового баланса для конденсатора паросиловой установки.

Вопрос 5. С какой целью применяются критериальные уравнения конвективного теплообмена?

ЗАДАНИЕ № 5

Вопрос 1. Какое из дифференциальных уравнений описывает процесс одномерной нестационарной теплопроводности для плоской однородной пластины без внутренних источников теплоты?

1. ;                     2. ;

3. ;    4. ;

5. .

Вопрос 2. Состояние воды и водяного пара характеризуется параметрами  бар и  кДж/кг. Какое это состояние и чему равна ? Покажите состояние воды и водяного пара в -диаграмме.

Вопрос 3. Ваше мнение: с какой стороны устанавливаются ребристые поверхности – со стороны наибольшего (наименьшего) коэффициента теплоотдачи? Покажите это расчетом на конкретном примере.

Вопрос 4. Изобразите цикл двигателя в -диаграмме, если известна тепловая схема: 1 – компрессор; 2 – газовый котел для получения пара – процесс  и для подвода теплоты к воздуху от продуктов сгорания; 3 – газовая турбина; 4 – выхлоп отработанных газов в окружающую среду .

Рис. 1.2. Схема энергетической установки

Вопрос 5. Причины возникновения пережога кипятильных труб от «горячих» газов.

ЗАДАНИЕ № 6

Вопрос 1. На рисунке изображен цикл газотурбинной установки с регенерацией. Составьте тепловую схему установки. Запишите выражение для расчета теплоты, передаваемое в регенераторе.

Для справки: рабочее тело воздух – идеальный газ

; .

Вопрос 2. До какого давления должно быть произведено дросселирование пара с начальными параметрами 160 бар и 500 ^°С, чтобы удельный объем пара увеличился в два раза?

Изобразите данный процесс в -диаграмме.

Ответ:  бар, .

Вопрос 3. На основе математической записи задачи:

, , ;                   (1.1)

..;                                    (1.2)

;                                        (1.3)

.                     (1.4)

Сформулируйте ее физическую сущность.

Вопрос 4. Что характеризует коэффициент теплопроводности и его единица измерения? Приведите значения коэффициентов теплопроводности для известных Вам газов, жидкостей, твердых тел.

Вопрос 5. Почему степень черноты продуктов сгорания топлива не равна сумме степеней черноты отдельных компонентов?

1.2 Примеры входного контроля
по дисциплине «Теплопередача»

Задача № 1

Через кирпичную стену передается теплота. Постоянные температуры на поверхностях стены t₁ и t₂, коэффициент теплопроводности кирпича (l), толщина стены (d), площадь изотермической поверхности (F) даны в табл. 3.1 по вариантам.

Рассчитать:плотность теплового потока (q, Вт/м²);

· теплоту, переданную через стену за сутки (Q, Дж)

· координату изотермической поверхности (х₀) с температурой t = 0 ^оС.

Ответы выделить. Изобразить схематично график распределения температур по толщине стены.

Таблица 1

Задача № 2

Теплота передается через стенку трубы толщиной d = 50 мм. Постоянные температуры на внутренней поверхности трубы (t₁) и на наружной (t₂), а также коэффициент теплопроводности стенки (l), внутренний диаметр (d₁) и длина (ℓ) трубы даны в табл. 3.2.

Рассчитать:линейную плотность теплового потока (q_l, Вт/м);

· количество теплоты, передаваемой через стенку трубы за одни сутки (Q, Дж);

· температуру изотермической поверхности в середине стенки трубы (t), т.е. при . Сравнить полученную температуру с , объяснить причину несовпадения температур t и t_ср, показать t и t_ср на графике распределения температур по толщине стенки.

Таблица 2

Задача № 3

Теплота передается через плоскую стальную стенку с коэффициентом теплопроводности l_с = 40 Вт/м×К от дымовых газов к кипящей воде. Толщина стенки (d_с), температура дымовых газов (t_ж1), температура воды (t_ж2), коэффициент теплоотдачи от газов к стенке (a₁) и от стенки к воде (a₂) даны в табл. 3.3 по вариантам.

Определить:

· коэффициент теплопередачи (К, Вт/м² ×К) от газов к воде,

· плотность теплового потока, передаваемого через стенку (q, Вт/м²),

· температуры на поверхностях стенки со стороны газов (t₁) и со стороны воды (t₂).

Построить график распределения температур по толщине стенки. Нанести на график температуры t_ж1 и t_ж2.

В процессе эксплуатации стенка со стороны воды покрылась слоем накипи толщиной d_н, коэффициент теплопроводности накипи l_н=1,0 Вт/м×К.

Рассчитатьдля этого случая К, q, t₁, t₂, температуру на поверхности накипи (t_н). Построить график распределения температур по толщине стенки и накипи. Дать сравнительный анализ двух графиков.

1.3. Примеры текущего контроля по дисциплине
«Тепломассообменное оборудование предприятий»
(раздел «Элементы с внутренними источниками теплоты»)

Пример 1.3.1.Горящая электрическая лампочка N = 60 Вт имеет температуру поверхности t_с = 210 ^°С. Температура окружающего воздуха t_ж = 20 ^°С. Рассчитать теплоту переносимую конвекцией Q_к и теплоту переносимую за счет теплового излучения, степень черноты (e) при условии, что лампочка имеет шарообразную форму с эквивалентным диаметром d_экв = 70 мм.

Пример 1.3.2. В шаровом ТВЭЛе мощность тепловыделения изменяется по закону , где  Вт/м³ – значение тепловыделения в центре топливного шара радиусом  м, . Какая ошибка будет допущена при расчете максимальной температуры ТВЭЛа, если вместо реального закона тепловыделения использовать среднеинтегральное значение ? Коэффициент теплопроводности топлива Вт/(м· К). Какой тепловой поток идет от ТВЭла? Коэффициент теплоотдачи Вт/(м² ·К);  К.

Пример 1.3.3. Шаровой уран – графитовы ТВЭл на пылеуглеродной связке, имеющей наружный диаметр 50 мм, покрыт графитовой оболочкой ( Вт/(м·К)) толщиной 5 мм. Коэффициент теплопроводности топлива 11 Вт/(м·К). Максимальная температура топлива не должна превышать 1250 ^°С. Рассчитать температуры поверхности топлива и поверхности графитовой оболочки, если сборка ТВЭла омывается гелием с температурой 450 ^°С и коэффициентом теплоотдачи от оболочки к гелию 260 Вт(м²·К). Чему равна мощность внутренних тепловыделений, если их считать равномерно распределенными по объему топлива? Найти тепловой поток от оболочки ТВЭла к гелию.

1.4. Рубежный промежуточный контроль по дисциплине
“Тепломассообменное оборудование предприятий”
(зачетная работа)

БИЛЕТ № 1

Задача.Смесь бензола итолуола кипит при 95 ^оС под давлением 760 мм рт.ст. При 95 ^оС давление насыщенного пара бензола
Р =1167 мм рт.ст.; давление насыщенного пара толуола Р =480 мм рт. ст. Найти состав кипящей жидкости, считая, что смесь характеризуется законом Рауля.

Если жидкость будет содержать в два раза меньше толуола, то под каким давлением она будет кипеть при той же температуре?

БИЛЕТ № 2

Задача.Определить равновесные составы жидкости и пара для смеси метиловый спирт – вода при температуре 60 ^оС: а) под давлением 350 мм рт.ст., б) под давлением 600 мм рт. ст., считая, что смесь характеризуется законом Рауля. Объяснить полученный для случая б) результат.

БИЛЕТ № 3

Задача. 1000 кг бинарной смеси бензол – толуол, содержащей 40 % (масс.) бензола, подвергают простой перегонке под атмосферным давлением. Определить количество и состав дистиллята, если содержание бензола в кубовом остатке 18 % (масс.). Воспользоваться данными табл. 7.1 [Павлов К.Ф. и др. Примеры и задачи…].

БИЛЕТ № 4

Задача. Производительность выпарного аппарата по исходному раствору равна 1,5 т/ч. Концентрация исходного раствора составляет 50 г/л воды, конечная концентрация равна 320 г/л. Плотность выпаренного раствора 1268 кг/м³. Найти производительность аппарата по выпаренному раствору.

Билет № 5

Задача. В ректификационную колонну непрерывного действия поступает жидкость с 21 % (мол.) легколетучего компонента. Концентрация дистиллята 85 % (мол.), концентрация кубового остатка 3 % (мол.) легколетучего компонента. В дефлегматор поступает 750 кмоль/ч пара, в колонну из дефлегматора поступает 460 кмоль/ч флегмы. Сколько получается кубового остатка?

БИЛЕТ № 6

Задача. Производительность выпарного аппарата, обогреваемого насыщенным водяным паром с избыточным давлением р =2.5 бар,
необходимо повысить с 1000 до 1400 кг/ч ( по разбавленному раствору). Выпаривание производится под атмосферным давлением, температура кипения раствора в аппарате 105 ^оС, раствор подается на выпарку подогретым до температуры кипения. Определить, какого давления греющий пар надо подавать в аппарат. Тепловые потери не учитывать, коэффициент теплопередачи и конечную концентрацию раствора считать неизменными.

БИЛЕТ № 7

Задача. 800 кг бинарной смеси уксусная кислота – вода, содержащей 30 % (масс.) уксусной кислоты, подвергают простой перегонке под атмосферным давлением. Определить количество и состав дистиллята, если содержание уксусной кислоты в кубовом остатке равно 8 % (масс.). Воспользоваться необходимыми данными из справочной литературы.

БИЛЕТ № 8

Задача. Сколько надо выпарить воды из 500 кг раствора едкого калия, чтобы изменить его концентрацию от 5 до 27 % (масс.)?

БИЛЕТ № 9

Задача. В ректификационную колонну непрерывного действия поступает жидкость с 24 % (масс.) легколетучего компонента. Концентрация дистиллята 95 % (масс.), концентрация кубового остатка 3 % (мол.) легколетучего компонента. В дефлегматор поступает 850 кмоль/ч пара, в колонну из дефлегматора поступает 670 кмоль/ч флегмы. Сколько получается кубового остатка?

БИЛЕТ № 10

Задача. Изопропиловый спирт нагревается в баке в условиях свободной конвекции горячей водой, подаваемой насосом через ряд горизонтальных труб наружным диаметром 30 мм. Определить коэффициент теплоотдачи для изопропилового спирта, если его средняя температура 56 ^°С, а средняя температура наружной поверхности труб 62 ⁰С.

БИЛЕТ № 11

Задача. В одиночном аппарате происходит концентрация раствора NaOH греющим насыщенным паром. Расход начального раствора 2 т/ч, его концентрация 8,3 % (масс.), конечная концентрация 21,2 % (масс.). Температура греющего пара 160 ^оС. Давление вторичного пара в аппарате атмосферное. Тепловые потери выпарного аппарата составляет 46 кВт. Определить расход греющего пара. Начальная температура раствора, который поступает в аппарат, равна температуре кипения раствора.

Глава 2
Расчет и компоновка
теплообменных аппаратов

Примеры расчета сложного теплообмена

1. Парогенерирующий пучок П, который изображен на рис. 2.1, представляет из себя ряд змеевиков, параллельно присоединенных к входному и выходному коллектору Кʹ и Кʺ.

В нашем случае парогенерирующий пучок имеет шахматную структуру.

Рис. 2.1. Парогенерирующий пучок

2. Данные для расчета о компоновки пучка следующие: Р=3,68 бар; мм;  = 2,5; = 1,25 мм; w₂ = 9 м/с; t'_г=520 °C; t"_г = 280 °C;
= 0,9 м/с .

3. Количество пара G_п, кг/с, с параметрами р, t, получаемое в парогенерирующему пучке, ранее найдено из теплового баланса теплообменника Т. Такое же количество конденсата G_кпоступает из теплообменника Т во входной коллектор К'. G_к = G_п= 6,002 кг/с.

4. Количество теплоты, затраченное, если коэффициент теплоотдачи отнести к средней логарифмической разности температур между жидкостью и стенкой.

Дано: , d = 16 мм, l = 2,1 м, , , . Найти: , ?

Решение. , где средняя логарифмическая разность температур между жидкостью и стенкой

;

;

.

Ответ: ; .

Задача 2.2.3.Вычислить среднее значение коэффициента теплоотдачи и количество тепла, отдаваемое с поверхности пластины, омываемой продольным потоком воздуха.

Скорость и температура набегающего потока равны соответственно  и . Температура поверхности пластины . Длина пластины вдоль потока , а ее ширина .

Расчет произвести в предложении, что на всей длине пограничный слой является турбулентным.

Дано: , , , , .

Найти: ?, ?

Решение:

1. Определяем площадь поверхности пластины:

.

2. При  определяем теплофизические свойства воздуха [1, табл. 9]

; ; 

; , .

3. Определяем число Рейно– режим движения в пограничном слое на пластине турбулентный.

4. Определяем скорость звука

,

где k = 1,4 – показатель адиабаты, R = 287 – постоянная газовая для воздуха;

.

5. Определяем число Маха .

6. Значение теплоотдачи в воздушном потоке высокой дозвуковой скорости при  и  можно вычислить по формуле [1, стр. 70]:

.

7. Определим адиабатическую температуру стенки:

,

где коэффициент восстановления для продольно обтекаемой пластины при турбулентном пограничном слое можно определить по формуле

.

8. Определяем тепловой поток:

.

Ответ: ; .

2.3. Пример индивидуального задания
по тепломассообменному оборудованию предприятий
“ Расчет и эскизное проектирование
теплообменных установок и аппаратов ” (Вариант № 5)

Содержание

2.3.1. Введение. Общая классификация и характеристика рекуперативных трубчатых теплообменников. Анализ достоинств и недостатков рассчитываемого типа парожидкостного кожухотрубчатого теплообменника

2.3.2. Расчет и компоновка парожидкостного кожухотрубчатого теплообменника

2.3.3. Расчет и компоновка парогенерирующего пучка труб

2.3.4. Основные выводы по работе

Список использованной литературы  

Задание на индивидуальное домашнее задание
по тепло- и массообмену

Выполнить расчет и эскизное проектирование теплообменной установки.

Исходные данные:

1. По теплообменнику Т

1.1. Тип теплообменника – рекуперативный, трубчатый, парожидкостный, вертикальный.

1.2. Трубный пучок: размещение трубок в трубной доске по вершинам равносторонних треугольников, сторона которых, , а . При этом . Трубки стальные с размерами .

1.3. Нагреваемый теплоноситель – масло МТ, температура на входе , на выходе , производительность кг/ч, средняя скорость в трубках м/с.

1.4. Греющий теплоноситель – водяной пар , , поступающий из парогенерирующего пучка труб П.

2. По парогенерирующему пучку труб П.

2.1. Парогенерирующий пучок: шахматный; трубки стальные с размерами мм; скорость конденсата на входе в трубки змеевиков пучка м/с; шаги пучка , .

2.2. Греющий теплоноситель – продукты сгорания твердого топлива; температура на входе в пучок , на выходе из пучка , средняя скорость продуктов сгорания в узком сечении пучка  м/с.

3. Внутренние диаметры трубопроводов принять, исходя из допустимых скоростей в них: конденсата  и пара . Трубопроводы теплоизолированы, теплопотери в них пренебрежимо малы.

4. Пояснение к схеме установки.

В парожидкостном кожухотрубчатом теплообменнике Т масло МК, технологические параметры и теплофизические свойства (ТФС), которой отмечены подстрочным индексом 2, в количестве G₂, кг/час, должна быть нагрета от температуры  до  за счет теплоты конденсации пара заданных параметров P, x.

Процессы образования пара и его конденсации
на тепловой диаграмме

Нагреваемая жидкость (теплоноситель) подается в теплообменник Т и движется внутри трубчатой поверхности нагрева, а пар, поступающий из парогенерирующего пучка, конденсируется на наружных поверхностях трубок. В результате теплопередачи между конденсирующимся на трубках паром и движущейся внутри трубок жидкостью происходит нагревание этой жидкости. Конденсат, образовавшийся в результате конденсации пара при заданном давлении Р и имеющий температуру насыщения , через конденсатоотводчик КО, конденсатный бак КБ с помощью насоса Н подается во входной коллектор К, из которого поступает в трубки парогенерирующего пучка П. Здесь происходит процесс парообразования за счет теплоотдачи от продуктов сгорания, омывающих трубки пучка. Продукты сгорания при этом снижают свою температуру от  до . Параметры продуктов сгорания (газов) обозначены подстрочным индексом «г». Из выходного коллектора К'' пар поступает в парожидкостный теплообменник.

Термодинамические процессы образования пара в парогенерирующем пучке и конденсации его в парожидкостном теплообменнике изображены на диаграмме TS (рис. 2.3.2).

Рис. 2.3.2. Процессы генерации пара и его конденсации:

1 – 2_х – образование влажного пара; 1 – 2_пл – образование перегретого пара;

2_х – 1 – конденсация влажного пара; 2_пп – 1 – конденсация перегретого пара

2.3.1. Введение. Общая классификация и характеристика
рекуперативных трубчатых теплообменников. Анализ достоинств и недостатков рассчитываемого типа
парожидкостного кожухотрубчатого теплообменника

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) принято называть устройства, предназначенные для передачи тепла от одних тел к другим. В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: изменение температуры, испарение, кипение, конденсация, расплавление, затвердевание и, наконец, более сложные, комбинированные процессы. Количество тел, участвующих в этих процессах, может быть больше двух, а именно: тепло может передаваться от одного тела к нескольким другим телам или, наоборот, от нескольких тел к одному. Эти тела, отдающие или воспринимающие тепло, принято называть теплоносителями.

Теплообменные аппараты имеют большое распространение во всех отраслях промышленности и широко применяются в теплосиловых установках. В зависимости от назначения теплообменные аппараты называются подогревателями, конденсаторами, испарителями, паропреобразователями и т.д. [6, с. 10].

По способу передачи тепла различают три группы теплообменных аппаратов:

1) рекуперативные, в которых горячая и холодная среда протекает одновременно и теплота передается через разделяющую их стенку (котлы, подогреватели, испарители, конденсаторы и др.);

2) регенеративные, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то горячим, то холодным теплоносителем. В период контакта стенки с горячим теплоносителем стена нагревается, а в период подачи холодной среды охлаждается, нагревая среду за счет аккумулированной теплоты. К таким аппаратам относятся воздухоподогреватели газотурбинных установок, мартеновских и доменных печей;

3) смесительные, предназначенные для осуществления тепло- и массообменных процессов при непосредственном соприкосновении теплоносителей. К таким теплообменным аппаратам относятся оросительные полые, насадочные и барботажные аппараты [7, с. 100–101].

Наибольшее применение в промышленности нашли рекуперативные теплообменники, которые очень разнообразны по конструкции и форме поверхности, а в последние годы они получили новое интенсивное развитие на основе новых методов сварки, штамповки и прокатки.

Поскольку в данной курсовой работе предусмотрен расчет парожидкостного кожухотрубчатого теплообменника рассмотрим характеристику рекуперативных трубчатых теплообменников и более подробно остановимся на характеристиках кожухотрубчатого теплообменника [1, с. 30].

Кожухотрубчатые теплообменники в настоящее время являются самыми распространенными аппаратами в промышленности. Они представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости, а, следовательно, и интенсивности теплообмена теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между различными жидкостями, между паром и жидкостями или между жидкостями и газами [6, с. 13].

Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров.

Кожух (корпус) кожухотрубчатого теплообменника представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких листов (обычно стальных). Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды и диаметром аппарата, но не выполняется по конструктивным соображениям тоньше 4 мм. К кромкам кожуха приварены фланцы для соединения с крышками. Трубчатку кожухотрубчатых аппаратов изготовляют из прямых или изогнутых (U-образных или
W-образных) труб наружным диаметром от 12 до 57 мм. Предпочтительны стальные бесшовные трубы. Трубные решетки (доски) служат для закрепления в них пучка труб при помощи развальцовки, заварки, запайки или сальниковых креплений. Трубные решетки либо приваривают к кожуху, либо зажимают болтами между фланцами кожуха и крышки, либо соединяют болтами только с фланцами свободной камеры. Материалом трубных решеток служит обычно листовая сталь марки Ст.4 толщиной, зависящей от расчетного давления, но не менее 20 мм. Крышки кожухотрубчатых аппаратов имеют плоскую, коническую, сферическую, а чаще всего эллиптическую форму.

Кожухотрубчатые теплообменники выполняют жесткой, нежесткой и полужесткой конструкций; одно- и многоходовыми; прямо-, противо- и поперечноточными; горизонтальными, вертикальными и наклонными [1, с. 19–20].

Особенность кожухотрубчатых теплообменников состоит в том, что проходное сечение межтрубного пространства велико по сравнению с проходным сечением трубок и может быть больше последнего в 2,5–3 раза. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей (если теплообмен происходит без изменения их агрегатного состояния) часто получаются пониженные скорости теплоносителя и малые значения коэффициентов теплоотдачи на стороне межтрубного пространства, что значительно снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Для выравнивания проходных сечений иногда применяют усадку концов трубок при

На схеме указанной ниже приведена классификация рекуперативных теплообменных аппаратов, на которой особое внимание уделено кожухотрубчатым теплообменным аппаратам закреплении в трубной решетке.

Кожухотрубчатые аппараты могут быть вертикальными и горизонтальными. Вертикальные аппараты имеют большее распространение, так как они занимают меньше места и более удобно располагаются в рабочем помещении. Для удобства монтажа и эксплуатации максимальную длину трубок для них следует брать не больше 5 м.

Во избежание резкого снижения теплоотдачи от конденсирующегося пара к стенке в корпусе теплообменника должны быть предусмотрены краны для выпуска воздуха как из нижней части аппарата над поверхностью конденсата, так и из верхней его части.

В настоящее время разработаны образцы кожухотрубчатых теплообменников с продольно-оребренными трубами и с поперечно-накатными низкими ребрами на трубах. Эти конструкции обеспечивают высокую тепловую эффективность аппарата при рабочих средах с различными физическими свойствами.

Регулирование производительности парожидкостного теплообменника возможно путем изменения давления (дросселированием греющего пара), изменения расхода нагреваемого теплоносителя и изменения (повышения) уровня конденсата в аппарате, т.е. уменьшения активной поверхности теплообмена [6, с. 13–15].

В парожидкостных теплообменниках пар конденсируется обычно в межтрубном пространстве, а жидкость проходит в трубах. Разность температур стенок корпуса и труб бывает значительной. Для компенсации разности тепловых удлинений между кожухом и трубами устанавливают линзовые, сальниковые или сильфонные компенсаторы. Напряжения в металле, обусловленные тепловыми удлинениями, устраняют также изготовлением однокамерных теплообменников с гнутыми
U- и W-образными трубами. Однако аппараты с гнутыми трубами не могут быть признаны лучшими из-за трудности изготовления труб с гибами разного радиуса, сложности замены и неудобства очистки гнутых труб.

Компенсационные устройства (мембранные, сильфонные, с гнутыми трубами) сложны в изготовлении или недостаточно надежны в эксплуатации (линзовые, сальниковые). Более совершенна конструкция теплообменника с жестким креплением одной трубной решетки и свободным перемещением второй решетки вместе с внутренней крышкой трубной системы. Некоторое удорожание аппарата из-за увеличения диаметра кожуха и из-за необходимости изготовления дополнительного днища оправдывается простотой и надежностью в эксплуатации. Эти аппараты получили название теплообменников с плавающей головкой (или камерой).

Теплообменники с поперечным током отличаются повышенным коэффициентом теплоотдачи на наружной поверхности труб вследствие того, что теплоноситель движется поперек трубного пучка и имеет относительно повышенную скорость [1, с. 21].

Что касается парогенерирующих пучков, то их выполняют в виде пакета гладких или ребристых труб с оребрением по газовой стороне. В целях интенсификации теплообмена парогенерирующий пучок труб выполняют из трубок малого диаметра  при толщине стенки .

Трубки парогенерирующего пучка обычно располагают в шахматном порядке, что обеспечивает большую эффективность теплообмена примерно на 25 % по сравнению с теплообменом при коридорном расположении труб и соответственное уменьшение габаритов парогенерирующего пучка.

Концы змеевиков парогенерирующего пучка объединяют коллекторами, вынесенными из области газового обогрева [8, с. 402, 403].

Обычно при расположении коллекторов на боковых стенах парогенерирующий пучок состоит из двух параллельно включенных половин с двусторонним движением воды. При этом змеевики каждой половины располагаются от боковой стенки до средней плоскости с восходящим движением среды по пакету. Более плотная компоновка поверхности пакетов в пучках достигается, когда змеевики одного пакета расположены между змеевиками другого (или других) [9, с. 99].

2.3.2. Расчет и компоновка парожидкостного
кожухотрубчатого теплообменника

1. По заданным параметрам нагреваемого теплоносителя ,  при средней температуре теплоносителя  из табл. 17 [4] выписываем теплофизические свойства (ТФС) теплоносителя – масла МТ: , , , , , , .

2. Используя допущение, что тепловые потери в окружающую среду пренебрежимо малы, с помощью уравнения теплового баланса парожидкостного теплообменника в форме

определим количество теплоты, необходимое для нагревания  теплоносителя от  до

,

а затем количество водяного пара заданных параметров , , которое необходимо подать в теплообменник

,

где и ,  – соответственно энтальпии водяного пара с параметрами ,  и его конденсата, определяемые из табл. 2 (поскольку имеем мокрый пар) [2]: , , тогда количество пара

.

3. Количество трубок в пучке при одноходовом варианте связано с расходом теплоносителя  и его средней скоростью  уравнением

, где .

Тогда количество трубок в пучке . По техническим соображениям примем количество трубок в пучке равное 56.

4. Расчет поверхности нагрева  трубного пучка теплообменника (а следовательно, полной длины трубного пучка ) производится исходя из уравнения теплопередачи теплообменника , где  – коэффициент теплопередачи для трубного пучка теплообменника, ;  – средний температурный напор в теплообменнике между греющим паром и нагреваемым теплоносителем, ;  – поверхность нагрева, ;  – значение диаметра трубки, по которому рассчитывается поверхность , .Как следует из уравнения теплопередачи теплообменника, определению поверхности нагрева должны предшествовать вычисления среднего температурного напора  и коэффициента теплопередачи .

5. Расчет среднего температурного напора проводится с учетом графиков изменения температур теплоносителей в теплообменнике, которые для рассматриваемого теплообменника представлены на рис. 2.3.3.

Средний температурный напор в теплообменнике при изменении агрегатного состояния одного из теплоносителей (конденсация) практически не зависит от схемы движения теплоносителей (прямоточная, противоточная или иная) и вычисляется как среднелогарифмическая величина из  и  по формуле [3, стр. 385, ф. (19.17)]:

.

Рис. 2.3.3. Графики изменения температур теплоносителей

Для определения поправки , определим вспомогательные величины P и R по формулам [3, с. 385, ф. (19.20)] и [3, с. 385, ф. (19.21)]:

,

.

По графику [3, с. 385, рис. 19.4] .

Как видно из графиков, температурные напоры вычислим по следующим формулам:

, ,

где  определяется по табл. 2 [2] при .

Тогда средний температурный напор

.

6. Расчет коэффициента теплопередачи  с достаточной точностью может быть выполнен исходя из предположения, что стенка трубки плоская, поскольку  [3, стр. 37], где  – наружный диаметр трубки, равный .

Таким образом, коэффициент теплопередачи определяем по формуле [3, стр. 37, ф. (2.53)]:

,

где  – коэффициент теплоотдачи при вынужденном движении нагреваемой жидкости внутри трубок, ;  – коэффициент теплоотдачи при конденсации пара на наружной поверхности трубок, ;  – коэффициент теплопроводности материала трубок, .

Исходя из экономических соображений, выбираем углеродистую сталь 15 по табл. 6 [4] . Углеродистая сталь 15 относится к низкоуглеродистым конструкционным сталям, которые широко применяются, вследствие их хорошей пластичности, для изготовления деталей машин. По качеству это качественная сталь.

6.3. При расчете  и  требуются средние температуры трубки со стороны жидкости  и со стороны пара , которые неизвестны. Это приводит к тому, что ими приходится задаваться в интервале  и расчет вести методом последовательных приближений.

В первом приближении при  можно задаться:

^оС, ^оС.

6.3. Для расчета коэффициента теплоотдачи  при вынужденном движении нагреваемой жидкости внутри трубок, который определится следующим уравнением

,

где  – критерий Нуссельта,

необходимо определить режим течения и уравнение для вычисления критерия Нуссельта.

Для определения режима движения масла необходимо вычислить значение числа Рейнольдса:

,

где  – кинематическая вязкость масла при температуре  (определена в пункте 1).

Таким образом, число Рейнольдса

.

Поскольку , то режим движения масла внутри трубок турбулентный.

В этом случае средний коэффициент теплоотдачи рассчитывается по формуле [3, стр. 184, ф. (8.6)]:

.

Здесь в качестве определяющей температуры принята средняя температура жидкости в трубе, т.е. . Определяющим размером является внутренний диаметр трубы, т.е. . Коэффициент  учитывает изменение среднего коэффициента теплоотдачи по длине трубы.

Число Прандтля стенки определяем по температуре стенки со стороны жидкости ^оС, по табл. 17 [4] : .

Согласно рекомендациям [1, стр. 60] принимаем высоту трубок . Поскольку , то коэффициент .

Таким образом, критерий Нуссельта равен

.