F¢=44300/(420*34)=3,1 м2
Удельная плотность теплового потока[7,стр. 108]:
q=Q/F¢, Вт/( м2*К) (2.14)
q=44300/3,1=14290 Вт/( м2*К);
С другой стороны это можно выразить следующим образом [9,стр.55]:
q=aм*Dtм=461*Dtм (2.15)
Следовательно: Dtм=q/aм=14290/640=21,3 оС
Из рис.2.1 видно что tст.м.=tм.ср.- Dtм=54-21,3=32,7 оС
Т.к. q=q1=q1=…=qn, то
q=aв*Dtв=4460*Dtв
Dtв=q/aв=14290/4460=3,2 оС
tст.в.=tв.ср.+Dtв=19+3,2=22,2 оС
По результатам расчета принимаем температуру стенки со стороны воды tст.в.= 22,2 оС и температуру стенки со стороны масла tст.м.=32,7 оС.
Рис.2.1 График изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при противотоке.
Теперь пересчитываем площадь поверхности охлаждения относительно найденных температур стенок:
Prв(при tст.в.= 22,2 оС)=6,32
aв=0,021*(0,58/0,011)* 110000,8* 7,020,43*( 7,02/6,78)0,25=4263,5 Вт/( м2*К)
qв=4263,5 *( 22,2- 19)=13643 Вт/м2
Prм(при tст.м.= 32,7оС)=132,8
aм=0,354(0,107/0,003)*2240,5*101,720,33*(101,72/132,8)0,18=695,3 Вт/( м2*К)
aм пр=695,3*0,95=660,5 Вт/( м2*К)
q=660,5*(54-32,7)=14069,4 Вт/м2
к=1/((1/660,5)+(0,0015*2,26*0,014/104,5*0,011)+(2,26*0,014/4263,5*0,011))=
=412 Вт/( м2*К)
F¢=44300/412*34=3,16 м2
Поверхность охлаждения с учетом загрязнения[9,стр.56]:
F=1,1*F¢, м2 (2.16)
F=1,1*3,16=3,47 м2
Далее проводим аналогичный расчет для разных скоростей воды и масла, для того, чтобы выбрать оптимальную площадь поверхности охлаждения и оптимальные скорости воды и масла. Варианты расчетных скоростей и результаты вычислений приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Зависимость поверхности охлаждения маслоохлодителя от скоростей воды и масла .
| wв, м/с | 0,7 | 1 | 1,3 | 1,5 |
| wм, м/с | 0,3 | 0,5 | 0,7 | 0,9 |
| Reв | 29806 | 14903 | 19374 | 22354 |
| aв, Вт/( м2*К) | 7833 | 4493,3 | 5549,7 | 6222,7 |
| qв, Вт/ м2 | 18799,5 | 10784 | 13319,2 | 14934,4 |
| Reм | 11,8 | 19,7 | 27,6 | 35,5 |
| aм, Вт/( м2*К) | 321,5 | 412 | 492 | 557,8 |
| qм, Вт/ м2 | 7779,4 | 9969,8 | 11904 | 13498 |
| к, Вт/( м2*К) | 308,6 | 384,6 | 456,6 | 507,6 |
| F¢, м2 | 9,24 | 7,4 | 6,3 | 5,6 |
| F, м2 | 8,4 | 6,7 | 5,7 | 5,1 |
Выбираем вариант с площадью поверхности охлаждения F=3,47м2 и скоростями воды и масла wв=1 м/с и wм=0,5м/с.
3. КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ.
3.1 Определение количества трубок и способа их размещения.
Конструктивный расчет кожухотрубных теплообменников состоит в определении количества трубок и способа их размещения, нахождении внутреннего диаметра корпуса и числа ходов в трубном и межтрубном пространстве.
В основу расчета положены исходные и результаты теплового расчета, приведенные выше.
Общая длина трубы в расчете на одноходовой пучок,м[6,стр.26]:
L=900*F¢*dвн*wв*rв/Gв (3.1.1)
F¢- поверхность теплообмена, м2;
dвн – внутренний диаметр трубы,м;
wв – скорость теплоносителя (в нашем случае это скорость воды, т.к. она течет внутри трубок), м/с;
rв – плотность воды, кг/ м3;
Gв – часовой расход воды, кг/ч;
L=900*3,16*0,014*1*997,45/10008=9,3м
Рабочая длина трубы в одном ходу,м:
L’=L/Zв, м
L – общая длина трубы,м;
Zв – число ходов по воде; (3.1.2) [6,стр26]
Определяем число ходов по воде. Для этого рассчитаем несколько вариантов и выберем оптимальный.
Zв=2 L’=9,3/2=4,65 м
Zв=4 L’=9,3/4=2,325 м
Zв=6 L’=9,3/6=1,55 м
Выбираем Zв=4 и L’=2,325 м.
Число трубок одного хода в трубном пространстве, шт.:
No=(4*Gв)/(3600*p*dвн2*rв*wв )(3.1.3) [6,стр27]
Gв – массовый расход воды в трубном пространстве, кг/ч;
dвн – внутренний диаметр трубок, м;
rв – плотность воды, кг/м3;
wв – скорость воды,м/с;
No=(4*10008)/(3600*3,14* (0,014)2*997,45*1)=18 шт
Общее количество трубок, шт;
N=No*Zв,шт (3.1.4) [6,стр27]
No - число труб одного хода в трубном пространстве, шт;
Zв – число ходов воды в трубном пространстве;
N=18*4=72
Шаг труб в пучке t (расстояние между центрами трубок) принимают из условий прочности:
t=(1,3…1,.5)*dн, м (3.1.5) [6,стр27]
dн – наружный диаметр трубок,м;
t=1,3*0,016=0,02м
Выбираем концентрическое размещение труб из условий максимальной компактности, удобства разметки трубных досок и монтажа пучка труб. [6,стр27]
3.2 Внутренний диаметр корпуса теплообменника.
Для многоходовых теплообменников внутренний диаметр корпуса определяется:
D=1,1*t*(N/h)0,5,м (3.2.1) [6,стр28]
t – щаг труб в пучке,м;
N – общее количество труб,шт;
h - коэффициент заполнения трубной решетки (принимается 0,6-0,8);
D=1,1*0,02*(72/0,7)0,5=0,223м
3.3 Конструкция и размеры межтрубного пространства.
Для повышения скорости теплоносителя в межтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников используются поперечные перегородки. В нашем случае это перегородки типа диск-кольцо. [6,стр28]
Площадь межтрубного пространства,:
Sмтр=S1=S2=S3=Gм/(3600*rм*wм), м2 (3.3.1) [6,стр29]
S1 – площадь кольцевого зазора между корпусом и диском, м2;
S2 – площадь в вертикальном сечении между кольцевыми и дисковыми перегородками, м2;
S3 – проходное сечение для теплоносителя в кольце, м2;
Gм – массовый расход теплоносителя (в данном случае это масло, т.к. оно течет в межтрубном пространстве) ,кг/ч;
rм – плотность масла, кг/м3;
wм – скорость масла в межтрубном пространстве, м/с;
Sмтр=10008/(3600*859,3*0,5)=0,0065 м2
Площадь кольцевого зазора между корпусом и диском:
S1=(p/4)*[( D2-D22)-N*dн2], м2(3.3.2) [6,стр28]
D – внутренний диаметр корпуса, м;
D2 – диаметр дисковой перегородки, м;
N – число труб, шт;
dн –наружный диаметр трубки, м;
D2=[(p*( D2- N*dн2)-4*S1)/ p]0,5,м
D2=[(3,14*(0,2232- 72*(0,016)2)-4*0,0065)/3,14]0,5=0,152м
Проходное сечение для теплоносителя в кольце:
S3=(p* D12/4)*[1-0,91*h*(dн/t)2], м2(3.3.3) [6,стр29]
D1 – диаметр кольцевой перегородки, м;
h - коэффициент заполнения трубной решетки (принимается 0,6-0,8);
dн –наружный диаметр трубки, м;
t – щаг труб в пучке,м;
D1=[4*S3/((1-0,91*h*(dн/t)2)* p)]0,5,м
D1=[4*0,0065/((1-0,91*0,7*(0,016/0,02)2)*3,14)]0,5=0,014м
Площадь в вертикальном сечении между кольцевыми и дисковыми перегородками:
S2=p*Do*h*(1-(dн/t)),м2(3.3.4) [6,стр28]
Do – средний диаметр, м;
Do=0,5*(D1+D2)=0,083м
h – расстояние между перегородками, м;
dн –наружный диаметр трубки, м;
t – щаг труб в пучке,м;
h=S2/[p*Do*(1-(dн/t))], м
h=0,0065/[3,14*0,083*(1-(0,016/0,02))]=0,1244 м
Число ходов масла в межтрубном пространстве:
Zм=L’/h
L’ – рабочая длина трубы в одном ходу, м:
h – расстояние между перегородками, м;
Zм=2,325/0,1244=18
Число перегородок в межтрубном пространстве равно Zм-1=18-1=17
3.4 Определение диаметра патрубков.
Диаметр патрубков dn зависит от расхода и скорости теплоносителя и определяется из соотношения:
(p/dn2)=(G/(3600*r*wn)) (3.4.1) [6,стр31]
G – расход теплоносителя, кг/ч;
r - плотность теплоносителя, кг/м3;
wn – скорость теплоносителя, м/с.
dn=[(4*G)/( p*3600*r*wn)]0,5,м
Скорости в патрубках обычно принимаются несколько большими, чем в аппарате. Мы принимаем:
wв=2,5м/с
wм=1м/с
Т.о. диаметр патрубков для воды:
dnв=[(4*10008)/( 3,14*3600*997,45*2,5)]0,5=0,0014м,
для масла:
dnм=[(4*3,6)/( 3,14*859,3*1)]0,5=0,0053м,
4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ.
Задачей гидравлического расчета является определение величины потери давления теплоносителей при их движении через теплообменные аппараты. Падение давления DРто в теплообменниках при прохождении теплоносителя по трубам и в межтрубном пространстве складывается из потерь на сопротивление трению и на местные сопротивления, Па:
DРто=DРтр+DРмс=[(l*L’* w2)/(dэ*2)]*r+åz*((w2*r)/2), Па
(4.1.1) [6,стр32]
l - коэффициент гидравлического трения ( для латунных труб l=0,02);
L’ – рабочая длина трубы в одном ходу, м;
w – средняя скорость движения теплоносителя на данном участке, м/с;
dэ – эквивалентный диаметр сечения канала, равный 4*f/Sсм;
f – площадь сечения прохода теплоносителя, м2;
f=Sмтр=0,0065 м2 ;
Sсм – смоченный периметр прохода теплоносителя, м;
Sсм=p*D;
D – внутренний диаметр корпуса теплообменника, м;
Sсм=3,14*0,223=0,7м;
dэ=4*0,0065/0,7=0,037м
r - плотность теплоносителя, кг/м3;
åz - сумма коэффициентов местных сопротивлений. Ихзначения мы берем из таблицы (табл.1,[9]);
Для воды мы учитываем коэффициенты, приведенные в таблице 4.1.
Таблица 4.1.
Значения коэффициентов местных сопротивлений.
| Местное сопротивление | Коэффициент |
| Входная или выходная камера(удар и поворот) | 1,5 |
| Поворот на 1800 внутри камеры при переходе из одного пучка трубок в другой | 2,5 |
| Вход в трубное пространство и выход из него | 1 |
Таким образом, сумма коэффициентов местных сопротивлений для воды:
åzв=1,5*2+2,5*3+1*2=12,5
DРтов=DРтр+DРмс=[(0,02*2,325*12)/(0,037*2)]*997,45+[12,5*((12*997,45)/2)]=
=6861 Па
Располагаемый перепад давлений, создаваемый насосом:
DРр=DРто+DРтр,Па
DРтр=[(l*L’* w2)/(dэ*2)]*r=[(0,02*2,235*12)/(0,037*2)]*997,45=626,8 Па
DРрв=6861+626,8=7478,7 Па
Соответствующее значение температурного напора:
Нр=DРр/(r*g), м (4.1.2) [6,стр34]
DРр - располагаемый перепад давлений, создаваемый насосом, Па;
r - плотность теплоносителя, кг/м3;
g – ускорение свободного падения, м2/с;
Нрв=7487,7/(997,45*9,8)=0,77 м
Мощность N, кВт на валу насоса:
N=(G*DРр)/(1000*r*hн), кВт (4.1.3) [6,стр34]
G – расход рабочей среды, кг/с;
DРр - располагаемый перепад давлений, создаваемый насосом, Па;
r - плотность теплоносителя, кг/м3;
hн – КПД насоса;
Nв=(2,78*7487,7)/(1000*997,45*0,7)=0,03 кВт
Далее делаем аналогичный расчет для масла.
l=0,02+(1,7/Re0,5)
l=0,02+(1,7/19,70,5)=0,4
Для масла учитываем коэффициенты, приведенные в таблице 4.2.
Таблица 4.2.
Значения коэффициентов местных сопротивлений.
| Местное сопротивление | Коэффициент |
| Входная или выходная камера(удар и поворот) | 1,5 |
| Поворот на 1800 через перегородку в межтрубном пространстве | 1,5 |
| Вход в межтрубное пространство | 1,5 |
| Задвижка нормальная | 0,5-1,0 |
Таким образом, сумма коэффициентов местных сопротивлений для масла:
åzм=1,5*2+1,5*17+1,2*2+0,7*2=32,9
DРтом=DРтр+DРмс=[(0,4*0,325*0,52)/(0,037*2)]*859,3+[32,9*((0,52*859,3)/2)]=
=6233,7 Па
Располагаемый перепад давлений, создаваемый насосом:
DРтрм=(0,4*0,325*0,52)/(0,037*2)]*859,3=2699,8Па
DРрм=6233,7+2699,8=8933,5 Па
Соответствующее значение температурного напора:
Нрм=8933,5/(859,3*9,8)=1,06 м
Мощность N, кВт на валу насоса:
Nм=(3,6*8933,5)/(1000*859,3*0,7)=0,053 кВт