Тепловой расчёт змеевикового теплообменника

В качестве условного примера, был взят котёл с расходом дымовых газов 1350 кг/ч и температурой 165 .

Основой любого теплового расчёта является определение количества теплоты:

                                              Q = Q_г = Q_х ,                                    (3.1)

где Q – количество теплоты, передаваемого или принимаемого теплоносителем, Вт. Откуда:

                                         Q = G_г ∙ c_г · (t_гн – t_гк),                            (3.2)

где G – расход теплоносителя, кг/ч (G_г = 1350 кг/ч = 0,41 м³/ч); с_г,х – теплоёмкости горячего и холодного теплоносителей, Дж/кг ·град) (средняя теплоёмкость дымовых газов при н. у. (сухой части) c_г = 1,087 кДж/(кг ·К); теплоёмкость воды c_г = 4178-4208 Дж/(кг · °С) (при 60-90 °С)); t_{г,х н} – начальная температура горячего и холодного теплоносителей, °C (t_{г. н} = 165  t_х.н. = 55 ℃); t_{г,х к} – конечная температура горячего и холодного теплоносителей, °C (t_х.г = 100 , t_х.к = 75 ).

Для расчёта принято использовать усреднённое значение температур. Средняя разность температур при прямоточном и противоточном направлении движения высчитывается как среднелогарифмическое, :

                          ∆t_ср = (∆t_б ‒ ∆t_м) /2,3 lg (∆t_б/∆t_м),                      (3.3)

где ∆t_б, ∆t_м – большая и меньшая средняя разность температур теплоносителей на входе и выходе из аппарата.

Греющий теплоноситель: 165 – 110

Нагреваемый теплоноситель: 55 – 75 ℃

                      

                      

                         

Ориентировочный расход воды, проходящего внутри трубок теплообменника, кг/ч:

                                          ,                                    (3.4)

                          

Для утилизации теплоты дымовых газов выбран змеевиковый тип теплообменника. Материал трубы: сталь марки Ст20 [32].

Значение диаметра аппарата D равно 0,9 м. Змеевики располагают в аппаратах таким образом, чтобы они по всей высоте находились в теплоносителе и со всех сторон не доходили до стенок корпуса на 0,25-0,4 м. При известном диаметре аппарата размер витка змеевика составит, м:

                                                            (3.5)

Необходимо найти значение площади сечения аппарата, м²:

                                                                              (3.6)

                                   

Определяется значение скорости потока дымовых газов, м/с:

                                                                                          (3.7)

Ориентировочная поверхность теплообмена, м²:

                                            F = Q/ k·∆t_ср                                       (3.8)

где k – коэффициент теплопередачи, Вт/м²∙ град:

                                             (3.9)

где ,  – внутренний и наружный диаметры трубы, мм (толщина и наружный диаметр, мм: 3,2 32).

 

Для упрощения нахождения коэффициента теплопередачи использован онлайн-калькулятор (рисунки 3.4-3.6).

 

Рисунок 3.4 – Коэффициент теплоотдачи внутренней стенки

трубы теплообменника

 

Рисунок 3.5– Коэффициент теплоотдачи наружной стенки

трубы теплообменника

Рисунок 3.6– Коэффициент теплопередачи через стенку трубы

 

Расчёт коэффициента теплопередачи, Вт/м²∙ град:

 

м²

Общая длина труб змеевика, м:

                                                                                  (3.10)

                             м

Длина одного витка змеевика, м:

                                                                                  (3.11)

                              

Высоту змеевика определяют из зависимости, м:

                                                                           (3.12)

где t – расстояние между витками по вертикали (t = (1,5÷2)  = 0,0432 м).

                  

Расчёт стального змеевикового теплообменника показал, что при использовании в качестве греющего теплоносителя дымовой газ с температурой 165 ℃ будет довольно большой длины  [38, 39].

Расчёт теплообменника со стальным змеевиком,