Расчет конденсатора

В качестве поверхности теплопередачи выбираем шахматный пучок из медных труб с наружным оребрением:

d_вн=0,0132 м - внутренний диаметр;

d_н=0,0176 м – наружный диаметр;

β=3,6 - коэффициент оребрения;

2.1 Массовый расход воды через аппарат, кг/с:

G_w= Q_к/(c_w*Δ t_w),

где c_w=4.1803кДж/кг- удельная теплоемкость воды при t_wср=23 ⁰С,

G_w= /(4.1803*4)= 3.114 кг/с.

2.2 Число труб в одном ходе:

n₁=4 G_w/(πρ_w d_вн²ω),

где ρ_w=997.45 кг/м³- плотность воды при t_wср=23 ⁰С,

ω=1,9 м/с- принятая скорость воды в аппарате,

n₁=4*3.114/(3,14*997.45*0.0132²*1) =22.81,

принимаем n₁=23.

2.3 Уточненная скорость воды в аппарате, м/с:

ω=4 G_w/(πρ_w d_вн² n₁),

ω=4*3.114/(3,14*997.45*0,0132²*23)= 0.992 м/с.

2.4 Критерий Рейнольдса:

Re= ω d_вн/ν,

где ν=0.9457*10^-6 м²/с- коэффициент кинематической вязкости воды при t_wср=23 ⁰С,

Re=0.992*0,0132/0.9457*10^-6=13842.76 -режим движения воды турбулентный.

2.5 Критерий Нуссельта:

Nu=0,021 Re^0,8Pr^0,43,

где Pr=6.556 - критерий Прандтля воды при t_wср=23 ⁰С,

Nu=0,021*13842.76 ^0,8*6.556^0,43=96.906.

2.6 Коэффициент теплоотдачи со стороны воды, Вт/м²К:

α_w= Nuλ/ d_вн,

λ=0.5385 Вт/мК- коэффициент теплопроводности воды при t_wср=23 ⁰С,

α_w=96.906*0.5385/0,0132=3953.34 Вт/м²К.

2.7 Плотность теплового потока со стороны воды, Вт/м²:

q_w=(Θ_m- Θ_а)/(1/ α_w+∑(δ/λ_i))=А(Θ_m- Θ_а),

где ∑(δ/λ_i)=0,2*10^-3 м²К/Вт- принятое термическое сопротивление стенки и загрязнений,

q_w=(6.805- Θ_а)/(1/3953.34 +0,2*10^-3)= 2207.74 (6.805 - Θ_а) Вт/м².

2.8 Приблизительное значение q_вн, Вт/м²:

пусть Θ_а=0,3 Θ_m, тогда:

q'=А(Θ_m-0,3 Θ_m),

q'=0,7* А* Θ_m=0,7*2207.74*6.805=10516.89 Вт/ м².

2.9 Число труб в большой диагонали внешнего шестиугольника при расположении труб в трубной решетке в вершинах правильных треугольников и по сторонам правильных концентрических шестиугольников:

m=0,75 ,

где S₁=0.025 м- горизонтальный шаг труб,

l/D_реш=8- принятое отношение длины трубы в аппарате к диаметру трубной решетки,

m=0,75 =9.25;

принимаем m=9.

2.10 Число вертикальных рядов труб в аппарате:

n_в= m=9.

2.11 Теплофизические свойства РВ при t_к=30 ⁰С:

ρ=1190.1кг/м³-плотность,

λ=0.082 Вт/мК- коэффициент теплопроводности,

μ=1.22*10^-4 Па*с- коэффициент динамической вязкости.

2.12 Коэффициент теплоотдачи со стороны РВ, отнесенный к внутренней поверхности труб, Вт/м²К:

α_а=0,72 (n_в/2)^-0,167 β Θ_а^-0,25 ψ_р,

α_а=0,72 (6)^-0,167 *3,6* Θ_а^-0,25 1,545=15667.85 Θ_а^-0,25 Вт/м²К.

2.13 Плотность теплового потока со стороны РВ, Вт/ м²:

q_а= α_а Θ_а= В Θ_а^к,

q_а=15667.85 Θ_а^-0,25 Θ_а=15667.85 Θ_а^0,75 Вт/ м².

2.14 Плотность теплового потока аппарата, определенная графоаналитическим способом, Вт/ м²:

В установившемся режиме работы аппарата q_а =q_w= q_вн, следовательно имеет место система уравнений:

q_w=2207.74(6.805- Θ_а)

q_а=15667.85 Θ_а^0,75,

графическое решение которой позволит определить фактическое значение плотности теплового потока аппарата q_вн.

Для построения зависимостей вычислим значения q_w и q_а для принятых Θ_а. Расчет приведен в табл.2:

Табл.2

Θа, К	0,2	0,4	0,6	0,8
qw, Вт/ м2	14582.58	14141.03	13699.48	13257.93	12816.38
qа Вт/ м2	4685.78	7880.51	10681.27	13253.39	15667.85

2.15 Уточненное значение плотности теплового потока аппарата, Вт/ м²:

q_вн= ((х-1)(q')^х+ Θ_mВ^х)/(х(q')^х-1+В^х/А),

где х=1/к=1/0,75=1,333;

первый итерационный шаг:

q_вн1= (0,333* 10516.89^1,333+6.805*15197.99^1,333)/(1,333*10516.89^0,333+15197.99^1,333/2207.745)= 13273.18 Вт/ м²,

второй итерационный шаг:

принимаем q'=13273.18;тогда:

q_вн2= (0,333*13273.18^,333+6.805*15197.99^1,333)/(1,333*13273.18^0,333+15197.99^1,333/22207.745)= 13257.25 Вт/ м²,

относительная погрешность составляет δq=(q_вн1- q_вн2)/ q_вн2=((13273.18-

13257.25)/ 13273.18)*100%=0,12 %;

ввиду достаточной точности итерационный процесс прекращаем и принимаем q_вн=13257.25 Вт/ м².

2.16 Общее чисто труб в аппарате:

n=0,75m²+0,25,

n=0,75*9²+0,25=61.

2.17 Число ходов:

z= n/ n₁,

z=61/23=2.652, принимаем z=2.

2.18 Общее чисто труб в аппарате при принятом ходе:

n= z n₁ ,

n=2*23=2.

2.19 Для освобождения места под ресивер, освобождаем трубный пучок от трех нижних рядов.

Число исключенных труб:

n_иск=i((m+1)/2)+(1+2+…+(i-1)),

n_иск=3((9+1)/2)+(1+2)= 18.

Число оставшихся труб:

n_ост= n- n_иск ,

n_ост=61-18=43.

Чтобы довести количество труб до ранее вычисленного n=46, ещё три трубы по краям обечайки.

2.20 Диаметр трубной решетки, выбор трубы для изготовления кожуха, м:

D_реш= m S,

D_реш=9*0,025= 0.225 м.

По вычисленному значению D_реш выбираем для изготовления кожуха стальную трубу 0.225 х8 мм, D_кож= 0.225 м.

2.21 Площадь внутренней поверхности теплопередачи, м²:

F_вн= Q_к/ q_вн,

F_вн=52063/13195.248 =3.93 м².

2.22 Длина одной трубы в аппарате, м:

l= F_вн/(π d_вн n),

l=3.93/(3,14*0,0132*46)= 2.061 м,

принимаем l=2 м.

2.23 Отношение длины труб к диаметру трубной решетки,

l/D_реш=2/0,225=8.88