Расчет и проектирование водонагревателей

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего
профессионального образования

«Самарский государственный

архитектурно-строительный университет»

 

Кафедра гидравлики и теплотехники

 

 

Расчет и проектирование водонагревателей

 

Учебное пособие
по курсу «Теоретические основы теплотехники»

 

 

 

Самара 2012

Составители: Вытчиков Юрий Серафимович

Кудинов Игорь Васильевич

 

УДК 624.022

 

Расчет и проектирование водонагревателей: Учебное пособие по курсу «Теоретические основы теплотехники» / Сост.: Ю.С. Вытчиков, И.В. Кудинов; Самарский гос. арх.- строит. ун-т, Самара, 2012. – 73 с.

 

Приведены краткие сведения по основам теории расчета рекуперативных теплообменных аппаратов. Подробно изложены методики конструкторского, поверочного и гидравлического расчетов водонагревателей. Рассмотрены примеры расчетов водоводяного и пароводяного теплообменных аппаратов.

Учебное пособие составлено в соответствии с программой курса «Теоретические основы теплотехники» для студентов дневной и заочной форм обучения, изучающих данную дисциплину в III и VIII семестрах соответственно, профиля подготовки «Теплогазоснабжение и вентиляция», направление подготовки 27080062 «Строительство».

 

 

Редактор

Технический директор

Корректор

 

 

Подписано в печать Формат 60х84¹/₁₆. Печать оперативная.

Бумага офсетная. Уч.-изд. л. Усл. печ. л. Тираж 500 экз. Заказ №

 

443001 Самара, ул. Молодогвардейская, 194

Самарский государственный архитектурно-строительный университет

 

 

Отпечатано в типографии

 

 

©. Самарский государственный

архитектурно-строительный университет, 2012

Содержание

Общая часть ……………………………………………………… 4

1 Классификация теплообменных аппаратов ………………..... 4

2 Основы теории расчёта рекуперативных теплообменных
аппаратов на стационарных режимах ………………………… 7

3 Расчёт теплообменных аппаратов с использованием метода
безразмерных характеристик …………………………………. 17

3.1 Безразмерные характеристики ……………………………. 18

3.2 Использование метода безразмерных характеристик
для расчета рекуперативных теплообменных аппаратов ... 23

3.3 Применение метода безразмерных характеристик
для расчёта регенеративных теплообменников …………… 26

4 Гидравлический расчет теплообменных аппаратов ………….. 28

5 Определение коэффициента удержания тепла
в рекуперативных теплообменных аппаратах ………………… 30

5.1 Теплоотдача при свободной конвекции в неограниченном пространстве …………………………………………………. 31

5.2 Теплообмен излучением между твердыми телами ……….. 35

6 Особенности конструирования трубной решетки
водонагревателя …………………………………………………. 38

7 Конструкции водонагревателей ………………………………... 42

7.1 Конструкция водоводяного подогревателя ………………... 42

7.2 Конструкция пароводяного подогревателя ………………... 44

8 Примеры расчета водонагревателей ……………………….…... 52

Библиографический список …………………………………….… 73

Общая часть

Цель данной курсовой работы – обучить студентов самостоятельно выполнять конструкторский, поверочный и гидравлический расчеты пароводяных и водоводяных теплообменных аппаратов.

В ходе выполнения курсовой работы студент решает четыре задачи: во-первых, по заданным параметрам теплоносителей и значению тепловой нагрузки определяет расчетную поверхность нагрева аппарата, по величине которой выбирает далее стандартный водонагреватель; во-вторых, уточняет тепловую нагрузку и температуру теплоносителей на выходе из выбранного стандартного теплообменника; в-третьих, находит линейные и местные потери давления теплоносителя по тракту теплообменника; в-четвертых, рассчитывает коэффициент удержания тепла теплообменного аппарата.

Работа включает расчетную и графическую части. Расчетную часть рекомендуется оформить в табличной форме, руководствуясь примерами, приведенными в учебном пособии. Графическая часть включает изображение графиков изменения температур теплоносителей по длине аппарата, чертежи водоводяного и пароводяного теплообменных аппаратов.

Исходные данные для выполнения курсовой работы приведены в таблице 8.1.

 

Классификация теплообменных аппаратов

Теплообменным аппаратом называется устройство, предназначенное для передачи тепла от одного теплоносителя другому.

По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на четыре группы:

1) рекуперативные;

2) регенеративные;

3) смесительные;

4) с внутренними источниками тепла.

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами движутся в пространстве, разделённом твёрдой стенкой. Процесс передачи тепла в них происходит за счёт конвекции и теплопроводности стенки, а также излучения в том случае, когда теплоносителем является излучающий газ. Примером таких аппаратов являются водонагреватели, отопительные приборы, воздухонагреватели и т. д.

Регенераторы – такие теплообменные аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева через определённые промежутки времени омывается то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает теплоту от горячей жидкости и нагревается, затем в другой промежуток времени поверхность регенератора отдаёт энергию холодной жидкости. Следовательно, теплообмен в регенераторах осуществляется в нестационарных условиях. Примером таких аппаратов могут служить воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей, теплообменники – теплоутилизаторы с вращающейся насадкой и т.д.

В смесительных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей. К ним относятся различные смесительные нагреватели – водоструйные, пароструйные и т.д.

В теплообменниках с внутренними источниками тепла применяются не два как обычно, а один теплоноситель, который получает теплоту, выделенную в самом аппарате. Примером таких аппаратов могут служить ядерные реакторы, электронагреватели и другие устройства.

В основу классификации теплообменников может быть положен способ компоновки теплопередающей поверхности или же ее конфигурация: теплообменники типа «труба в трубе», кожухотрубчатые, с прямыми трубками, змеевиковые, пластинчатые, ребристые и т.д.

По относительному движению теплоносителей рекуперативные теплообменники разделяют на прямоточные, противоточные, перекрёстно-точные и со смешанным направлением движения теплоносителей.

Если в теплообменном аппарате первичный (горячий) и вторичный (холодный) теплоносители движутся параллельно в одном направлении, то такая схема движения называется прямоточной (рис. 1.1 а). Если теплоносители протекают параллельно, но в противоположных направлениях, то такая схема движения называется противоточной (рис. 1.1 б). Если жидкости движутся во взаимно перпендикулярных направлениях, то такая схема называется перекрёстно-точной (рис. 1.1 в). Помимо таких простых схем движения осуществляются и более сложные, например, многократно перекрёстно-точные (рис. 1.1 г).

 

 

Рис. 1.1 Схемы движения теплоносителей в теплообменниках:

а – прямоток; в – перекрёстный ток;

б – противоток; г – многократный перекрёстный ток

На рис. 1.2 представлены графики изменения температур теплоносителей для различных схем движения теплоносителей.

Рис. 1.2 Графики изменения температур теплоносителей

по длине теплообменника:

а – при прямоточной схеме движения теплоносителей;

б – при противоточной;

в – при прямоточной схеме движения теплоносителей с одним конденсирующимся теплоносителем

Контрольные вопросы

1. Что называется теплообменным аппаратом?

2. На какие группы делятся теплообменные аппараты?

3. Какие теплообменные аппараты относятся к рекуперативным?

4. Приведите примеры рекуперативных теплообменных аппаратов.

5. По каким схемам осуществляется движение теплоносителей в рекуперативных теплообменных аппаратах?

6. Какие теплообменные аппараты относятся к регенеративным?

7. Укажите область применения регенеративных теплообменных аппаратов.

8. Приведите примеры смесительных теплообменных аппаратов.

9. Укажите область применения теплообменников с внутренними источниками тепла в системах ТГВ.

 

 

Основы теории расчёта рекуперативных теплообменных аппаратов на стационарных режимах

В основу теплового расчёта теплообменников положены следующие два уравнения: 1. Уравнение теплового баланса, которое показывает, что количество тепла,… , (2.1)

Контрольные вопросы

1. Какие виды тепловых расчетов теплообменных аппаратов используются при их проектировании?

2. Напишите уравнение теплового баланса для рекуперативных теплообменных аппаратов.

3. Укажите физический смысл коэффициента удержания тепла.

4. Напишите уравнение теплопередачи для рекуперативных теплообменных аппаратов.

5. Как изменяются температуры теплоносителей при противоточной и прямоточной схемах движения теплоносителей?

6. Напишите формулу для определения коэффициента теплопередачи теплообменного аппарата.

7. Какие факторы влияют на выбор значения коэффициента загрязнения поверхности теплообмена рекуперативного теплообменного аппарата?

8. Как определяется эквивалентный диаметр сечения канала?

9. Объясните, почему коэффициент теплоотдачи при конденсации пара от пучка труб отличается от значения коэффициента теплоотдачи на одиночной трубе?

10. Напишите формулу для определения среднего температурного напора в противоточном теплообменном аппарате.

 

 

Расчёт теплообменных аппаратов с использованием метода безразмерных характеристик

 

Метод безразмерных характеристик, предложенный В.М. Кейсом и А.Л. Лондоном [1], основывается на использовании безразмерных характеристик – эффективности теплообменника () и безразмерного числа единиц переноса тепла (NTU). По сравнению с традиционным методом расчёта теплообменных аппаратов, использующим величину среднелогарифмического температурного напора Δt_ср, метод безразмерных характеристик имеет преимущества при выполнении поверочного расчёта, так как позволяет по аналитическим зависимостям определять сразу конечные температуры теплоносителей, не прибегая к большому числу приближений.

Результаты расчёта большого числа теплообменных аппаратов с различными схемами движения теплоносителей представлены в монографии [1] как в виде аналитических зависимостей, так и в табличной и графической формах.

 

 

Безразмерные характеристики

, (3.1) где – максимально возможное количество тепла, которое может быть передано в… – водяные эквиваленты горячего и холодного теплоносителей соответственно, кДж/ ºС;

Использование метода безразмерных характеристик

Для расчета рекуперативных теплообменных аппаратов

При выполнении конструкторского расчёта теплообменных аппаратов известными величинами являются тепловая нагрузка, температуры первичного и… Расчет проводится в следующей последовательности: 1. Вычисляют расходы теплоносителей, используя уравнение теплового баланса.

Применение метода безразмерных характеристик для расчёта регенеративных теплообменников

Теплообменник перемещающегося типа имеет две одинаковые насадки (матрицы), через каждую из которых попеременно движется то горячий, то холодный… По сравнению с рекуперативными теплообменниками вращающийся регенератор имеет… В расчётах используются те же безразмерные характеристики, но в изменённой модификации. Число единиц переноса теплоты…

Контрольные вопросы

1. Напишите формулу для определения эффективности рекуперативного теплообменного аппарата.

2. Как определяются водяные эквиваленты теплоносителей?

3. Напишите формулу для определения числа единиц переноса тепла.

4. Как определяются расходы теплоносителей для рекуперативных теплообменных аппаратов?

5. Напишите формулу для определения расчетной поверхности нагрева теплообменного аппарата с использование метода безразмерных характеристик.

6. Какими преимуществами обладает метод безразмерных характеристик по сравнению с традиционным методом расчета теплообменных аппаратов?

7. Напишите формулу для определения тепловой нагрузки теплообменного аппарата.

8. Какой величине будет равно отношение водяных эквивалентов для пароводяного теплообменного аппарата?

9. По каким формулам определяются значения температур теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата?

Гидравлический расчет теплообменных аппаратов

. Па. (4.1) Линейное сопротивление в трубках и каналах ∆pл определяется по формуле… , Па, (4.2)

Контрольные вопросы

1. Какие режимы движения жидкостей Вы знаете?

2. По какой формуле определяются потери на трение при движении жидкостей в каналах?

3. В чем состоит физический смысл местных сопротивлений?

4. Как учитывается загрязнение трубок при выполнении гидравлического расчета?

5. Укажите рекомендуемый диапазон скоростей движения воды в водонагревателях.

6. Какое значение имеет критическое число Рейнольдса?

7. По какой формуле определяется мощность, затрачиваемая на перекачку теплоносителя?

 

 

Определение коэффициента удержания тепла в рекуперативных теплообменных аппаратах

, (5.1) где Q – тепловая нагрузка, передаваемая в теплообменном аппарате от первичного… Между наружной поверхностью теплообменного аппарата и окружающей средой происходит процесс сложного теплообмена, так…

Теплоотдача при свободной конвекции в неограниченном пространстве

Таким образом, свободное движение жидкости определяется наличием теплообмена. Так как количество переданного тепла пропорционально , м2 и , ºC,… Многие задачи конвективного теплообмена при свободном движении жидкости в… Теплоотдача определялась для тел различной формы и размеров (диаметр проволок и труб изменялся от 0,015 до 245 мм,…

Теплообмен излучением между твердыми телами

На рисунке 5.5 представлена расчетная схема процесса лучистого теплообмена между водонагревателем и стенами. Введем следующие обозначения: А1, С1, ε1, Т1, F1 – поглощательная способность, коэффициент излучения, степень черноты, температура и площадь…

Контрольные вопросы

1. Объясните физический смысл коэффициента удержания тепла.

2. За счет каких видов теплообмена происходит передача тепла от наружной поверхности теплообменных аппаратов?

3. Какие факторы влияют на теплоотдачу при свободной конвекции?

4. Напишите формулу для определения теплопотерь от корпуса теплообменника в окружающую среду.

5. Какие определяющие критерии используются при описании процессов теплоотдачи при естественной конвекции?

6. Напишите формулу для определения количества тепла, передаваемого излучением между двумя телами в замкнутом пространстве.

7. Объясните физический смысл степени черноты твердых тел.

8. Как определить температуру наружной поверхности корпуса теплообменного аппарата?

9. Укажите примерное значение коэффициента удержания тепла для водонагревателя.

 

 

Особенности конструирования трубной решетки водонагревателя

1. По сторонам квадратов, как это показано на рис. 6.1а. В этом случае количество труб, размещенных в квадрате равно (6.1) где – количество труб, расположенных на стороне наибольшего квадрата.

Контрольные вопросы

1. Какой способ размещения труб используется в водо-водяных и пароводяных теплообменных аппаратах?

2. Какая величина шага между трубами используется в паро-водяных теплообменных аппаратах?

3. По какой формуле рассчитывается внутренний диаметр корпуса теплообменного аппарата?

4. Сколько горизонтальных перегородок необходимо установить в двухходовом и четырехходовом теплообменных аппаратах?

5. Укажите допустимую величину кольцевого зазора между кратными трубами и корпусом теплообменного аппарата.

 

Конструкции водонагревателей

По виду поверхности теплообмена рекуперативные теплообменные аппараты подразделяются на следующие группы:

- кожухотрубчатые с прямыми гладкими трубами;

- кожухотрубчатые с U-образными трубами;

- кожухотрубчатые с оребренными трубами;

- секционные типа «труба в трубе»;

- змеевиковые; - спиральные; - пластинчатые.

Рассматриваемые в настоящем учебном пособии водоводяные теплообменные аппараты относятся к секционным типа «труба в трубе», а пароводяные – к кожухотрубчатым с прямыми гладкими трубами.

Конструкция водоводяного подогревателя

Продольный разрез водоводяного подогревателя представлен на рис. 7.1. Секция водоподогревателя состоит из стального корпуса 1 с компенсатором 2,… Рис. 7.1 Продольный разрез водоводяного подогревателя

Конструкция пароводяного подогревателя

По способам компенсации температурных удлинений они могут быть выполнены: без компенсации (жесткая конструкция); с компенсацией в результате… В теплообменных аппаратах жесткой конструкции (рис. 7.3) теплообменные трубы 3… Пароводяные теплообменные аппараты имеют следующую конструкцию: латунные трубы 3 (рис. 7.3), жестко закрепленные в…

Примеры расчета водонагревателей

В качестве конкретного примера, приводятся расчеты водоводяного и пароводяного теплообменников. Исходные данные находятся в таблице 8.1. Задание: провести конструкторский, поверочный и гидравлический расчеты водонагревателей; определить коэффициент удержания тепла; выполнить расчет трубной решетки пароводяного подогоревателя (с вычерчиванием эскиза решетки на формате А4). Водоводяной подогреватель вычерчивается на листе формата А4, пароводяной − на формате А2.

Примеры расчетов сведены в таблицы 8.2 и 8.3. В таблицах 8.4÷8.8 приведены справочные материалы, необходимые для выполнения курсовой работы.

Таблица 8.1

Варианты исходных данных к курсовой работе

Предпоследняя цифра шифра	Давление греющего пара P, МПа	Степень сухости пара Х	Температура греющей воды на	Последняя цифра шифра	Температура нагреваемой воды на	Тепловая нагрузка, Q, кВт
входе, , ºС	выходе, , ºС	входе, , ºС	выходе, , ºС
	0,2	0,88
	0,3	0,89
	0,4	0,90
	0,45	0,91
	0,5	0,92
	0,6	0,93
	0,7	0,94
	0,8	0,95
	0,9	0,96
	1,0	0,97

 

Исходными данными для расчета водоводяного теплообменника являются:

1. – тепловая нагрузка теплообменника, кВт;

2. – температура греющей воды на входе в теплообменный аппарат, ºС;

3. – температура греющей воды на выходе из теплообменного аппарата, ºС;

4. – температура нагреваемой воды на входе в теплообменный аппарат, ºС;

5. – температура нагреваемой воды на выходе из теплообменного аппарата, ºС;

 

Исходными данными для расчета пароводяного теплообменника являются:

1. – тепловая нагрузка теплообменника, кВт;

2. – давление греющего пара на входе в теплообменный аппарат, МПа;

3. – степень сухости пара;

4. – температура нагреваемой воды на входе в теплообменный аппарат, ºС;

– температура нагреваемой воды на выходе из теплообменного аппарата, ºС.

Таблица 8.2

Пример расчета водоводяного теплообменника

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Исходные данные
	Тепловая нагрузка	Q	кВт	По заданию
	Температура греющей воды на входе в подогреватель		ºС	-
	Температура греющей воды на выходе из подогревателя		ºС	-
	Температура нагреваемой воды на входе в подогреватель		ºС	-
	Температура нагреваемой воды на выходе из подогревателя		ºС	-
	Средняя температура греющей воды		ºС		0,5(80+170)=125
	Средняя температура нагреваемой воды		ºС		0,5(70+110)=90
	Теплофизические характеристики греющей воды:	Определяются по табл. 8.4
	ρ1	кг/м3	-
	λ1	Вт/м·К	-	68,6·10-2
	ν1	м2/с	-	0,243·10-6
	Pr1	-	-	1,42
	Cp1	кДж/кг·К	-	4,26
	Теплофизические характеристики нагреваемой воды:	Определяются по табл. 8.4
	ρ2	кг/м3	-
	λ2	Вт/м·К	-	67,6·10-2
	ν2	м2/с	-	0,326·10-6
	Pr2	-	-	1,97
	Cp2	кДж/кг·К	-	4,208

Продолжение таблицы 8.2

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Исходные данные
	Средняя температура стенки трубы		ºС		0,5(125+90)=108
	Значение критерия Прандтля для воды	Prw	Определяется по табл. 8.4	1,65
	Скорость движения воды в трубках	W2	Принимается в интервале от 0,5 до 3 м/с
	Внутренний диаметр трубок	dвн	м	-	0,014
	Наружный диаметр трубок	dн	м	-	0,016
	Средний диаметр трубок	dcp	м	0,5(dн + dвн)	0,5(0,014+0,016) =0,015
	Толщина трубок	δ	м	0,5(dн – dвн)	0,5(0,016-0,014)= =0,001
	Коэффициент теплопроводности материала трубок	λ	Вт/м·К	Определяется в зависимости от материала трубок [3]	105 (для латуни)
	Коэффициент удержания тепла	η	-	Принимается в пределах от 0,97 до 0,98	0,98
	Коэффициент загрязнения	β	-	Определяется по табл. 2.1	0,7
Конструкторский расчет
	Расход греющей воды	G1	кг/с
	Расход нагреваемой воды	G2	кг/с
	Среднелогарифмический температурный напор	Δtср	ºС

 

Продолжение табл. 8.2

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
	Площадь проходного сечения трубок	fтр	м2
	Технические характеристики стандартного подогревателя:	Определяются по табл. 8.6
		м2	-	0,0057
		м2	-	0,0122
	Z	шт.	-
	Дв	м	-	0,158
	L	м	-	2 или 4
	Скорость движения воды в трубках		м/с
	Скорость движения воды в межтрубном пространстве		м/с
	Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства	dэ	м
	Значение числа Рейнольдса для греющей воды	Re1	-
	Значение числа Рейнольдса для нагреваемой воды	Re2	-
	Значение числа Нуссельта для греющей воды	Nu1	-
	Значение числа Нуссельта для нагреваемой воды	Nu2	-
	Коэффициент теплоотдачи снаружи трубок	α1	Вт/м2 К

Продолжение таблицы 8.2

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Конструкторский расчет
	Коэффициент теплоотдачи внутри трубок	α2	Вт/м2 К
	Коэффициент теплопередачи	k	Вт/м2 К
	Расчетная поверхность нагрева теплообменного аппарата	Fp	м2
	Длина хода воды в трубках	Lтр	м
	Число секций	n	шт.		Принимаем 5 секций
	Поверхность нагрева аппарата	F	м2
Поверочный расчет
	Водяной эквивалент первичного теплоносителя		кВт/К
	Водяной эквивалент вторичного теплоносителя		кВт/К
	Число единиц переноса тепла		-
	Отношение водяных эквивалентов		-	-
	Эффективность водоводяного теплообменника		-		0,91
	Тепловая нагрузка		кВт

Продолжение таблицы 8.2

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
	Значения температур теплоносителей на выходе из теплообменника:		ºС     ºС
Гидравлический расчет
	Объемный расход теплоносителя	D	м3/с
	Коэффициент потерь на трение		-
	Линейные потери давления на трение		Па
	Сумма коэффициентов местных сопротивлений (ξi определяется по табл.4.2)		-
	Потери давления в местных сопротивлениях		Па
	Полное гидравлическое сопротивление (С определяется по табл. 4.1)		Па
	Мощность насоса (определяется по табл.2.20 [6])		Вт

Продолжение таблицы 8.2

Исходные данные для расчета коэффициента удержания тепла
	Температура стенки подогревателя		ºС	Принимается по ср. температуре греющей воды ()
	Температура окружающего воздуха		ºС	-
	Коэффициент температурного расширения воздуха		К-1
	Коэффициент кинематической вязкости воздуха		м2/с	Определяется по табл. 8.8
	Коэффициент теплопроводности воздуха		Вт м/К	Определяется по табл. 8.8
	Критерий Прандтля		-	Определяется по табл. 8.8	0,703
	Степень черноты		-	-	0,8
	Коэффициент излучения абсолютно черного тела		Вт м2/ К4	-	5,67
Расчет коэффициента удержания тепла
	Критерий Грасгофа		-
	Критерий Релея		-
	Коэффициенты, зависящие от режима течения жидкости		-	Определяются по таблице 5.1	0,135
	0,333
	Критерий Нуссельта		-

 

 

Окончание таблицы 8.2

	Коэффициент теплоотдачи конвекцией		Вт м2/К
	Коэффициент теплоотдачи излучением		Вт м2/К
	Суммарный коэффициент теплоотдачи		Вт м2/К
	Площадь поверхности теплообменника		м2
	Теплопотери в окружающую среду		кВт
	Коэффициент удержания тепла		-

Таблица 8.3

Пример расчета пароводяного теплообменника

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Исходные данные
	Тепловая нагрузка		кВт	По заданию
	Давление насыщенного пара	P	МПа	-	0,4
	Степень сухости пара	X	-	-	0,9
	Температура нагреваемой воды на входе в подогреватель		ºС	-
	Температура нагреваемой воды на выходе из подогревателя		ºС	-
	Теплота парообразования	r	кДж/кг	Определяются по табл. 8.5
	Температура пара		ºС	-	142,9
	Средняя температура нагреваемой воды		ºС		0,5(70+110)=90
	Средняя температура стенки трубок		ºС		0,5(142,9+90)=116,5
	Теплофизические характеристики воды:	Определяются по (табл. 8.4)
	ρ2	кг/м3	-
	Cp2	кДж/кг·К	То же	4,208
	λ2	Вт/м·К	-	67,60·10-2
	ν2	м2/с	-	0,326·10-6
	Pr2	-	-	1,97
	Значение критерия Прандтля для воды	Prw	-	Определяется по табл. 8.4	1,54
	Средняя т-ра пленки конденсата		ºС		0,5(142,9+116,5)= =129,7
	Плотность конденсата	ρ	кг/м3	Определяется по табл.8.4 по т-ре	934,82

Продолжение таблицы 8.3

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Исходные данные
	Коэффициент теплопроводности конденсата	λ	Вт/м·К	-	0,686
	Коэффициент кинематической вязкости конденсата	ν	м2/с	-	0,233·10-6
	Внутренний диаметр трубок	dвн	м	-	0,014
	Наружный диаметр трубок	dн	м	-	0,016
	Средний диаметр трубок	dcp	м	-	0,015
	Толщина трубок	δ	м	-	0,001
	Коэффициент теплопроводности материала трубок	λ	Вт/м·К	Определяется в зависимости от материала трубок [3]	105 (для латуни)
	Скорость движения воды в трубках	W2	м/с	Принимается согласно в интервале от 0,5 до 3 м/с
	Коэффициент удержания тепла	η	-	Принимается в пределах от 0,97 до 0,98	0,98
	Коэффициент загрязнения	β	-	Определяется по табл. 2.1	0,80
Конструкторский расчет
	Расход пара	G1	кг/с
	Расход нагреваемой воды	G2	кг/с

Продолжение таблицы 8.3

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
	Среднелогарифмический температурный напор	Δtср	ºС
	Коэффициент теплопередачи	k	Вт/м2 · К	Предварительно задается в пределах от 2500 до 2900
	Число трубок в одном ходе	n0	шт.
	Длина трубок одноходового теплообменника	Lтр	м
	Число ходов воды в аппарате	-	-	Если Lтр< 8 м; n = 2 Если Lтр> 8 м; n = 4	3,77 < 8 Принимаем n = 2
	Общее число трубок в корпусе	Z	шт.
	Значение Рейнольдса для воды	Re2	-
	Значение Нуссельта	Nu2	-
	Коэффициент теплоотдачи внутри трубок		Вт/м2 · К
	Приведенное число трубок в вертикальном ряду	mcp	шт.
	Выражение		-	По рисунку 2.4.	1+1+0,9+0,85+ +0,8+0,76+0,72+ +0,7+0,67=7,4

Продолжение таблицы 8.3

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Конструкторский расчет
	Поправочный коэффициент	у	-
	Коэффициент теплоотдачи от одиночной трубы		Вт/м2 · К
	Коэффициент теплоотдачи от пучка труб	α1	Вт/м2 · К
	Коэффициент теплопередачи	k	Вт/м2 · К
	Расчетная поверхность нагрева теплообменного аппарата	Fр	м2
	Уточненное значение температуры стенки		ºС
	Технические характеристики стандартного теплообменного аппарата:	Определяются по табл. 8.7
	m/	шт.	-	m/ = 8,5
	FТ	м2	-	FТ = 6,3
		м2	-
	Z	шт.	-	Z = 68
	L	м	-	L = 2
	Уточненное значение скорости движения воды в трубках		м/с
	Уточненное значение критерия Рейнольдса		-

Продолжение таблицы 8.3

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Конструкторский расчет
	Уточненное значение коэффициентов теплоотдачи:		Вт/м · К
	Вт/м · К
	Уточненное значение коэффициента теплопередачи	k	Вт/м · К
	Расчетная поверхность нагрева пароводяного теплообменного аппарата	Fp	м2
Поверочный расчет
	Водяной эквивалент воды		Вт/ºС
	Число единиц переноса тепла		-
	Эффективность пароводяного теплообменника		-
	Тепловая нагрузка		кВт
	Температура воды на выходе из теплообменника		ºС
Гидравлический расчет
	Объемный расход теплоносителя	D	м3/с
	Коэффициент потерь на трение		-
	Линейные потери давления на трение		Па

 

Продолжение таблицы 8.3

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
	Сумма коэффициентов местных сопротивлений (ξi определяется по табл.4.2)		-
	Потери давления в местных сопротивлениях		Па
	Полное гидравлическое сопротивление (С определяется по табл. 4.1)		Па
	Мощность насоса (определяется по табл. 2.20 [6])		Вт
Исходные данные для расчета коэффициента удержания тепла
	Температура стенки подогревателя		ºС	Принимается по температуре пара	142,9
	Температура окружающего воздуха		ºС	-
	Коэффициент температурного расширения воздуха		К-1
	Коэффициент кинематической вязкости воздуха		м2/с	Определяется по табл. 8.8
	Коэффициент теплопроводности воздуха		Вт м/К	Определяется по табл. 8.8
	Критерий Прандтля		-	Определяется по табл. 8.8	0,703
	Степень черноты		-	-	0,8
	Коэффициент излучения абсолютно черного тела		Вт м2/ К4	-	5,67

 

Окончание таблицы 8.3

№	Рассчитываемая величина	Обозначение	Единица измерения	Обоснование или расчетная формула	Расчет
Расчет коэффициента удержания тепла
	Критерий Грасгофа		-
	Критерий Релея		-
	Коэффициенты, зависящие от режима течения жидкости		-	Определяются по таблице 5.1	0,135
	-	0,333
	Критерий Нуссельта		-
	Коэффициент теплоотдачи конвекцией		Вт м2/К
	Коэффициент теплоотдачи излучением		Вт м2/К
	Суммарный коэффициент теплоотдачи		Вт м2/К
	Площадь поверхности теплообменника		м2
	Теплопотери в окружающую среду		кВт
	Коэффициент удержания тепла		-

 

Таблица 8.4

Физические свойства воды на линии насыщения

tн, ºС	ρ, кг/м3	Ср, кДж/кг·К	λ·102, Вт/м · К	ν·106, м2/с	Pr
0,1	999,9	4,212	55,1	1,789	13,67
	999,7	4,191	57,4	1,306	9,52
	998,2	4,183	59,9	1,006	7,02
	995,7	4,174	61,8	0,805	5,42
	992,2	4,174	63,5	0,659	4,32
	988,1	4,174	64,8	0,556	3,54
	983,2	4,179	65,9	0,478	2,98
	977,8	4,187	66,8	0,415	2,55
	971,8	4,195	67,5	0,365	2,21
	965,3	4,208	68,0	0,326	1,95
	958,4	4,220	68,3	0,295	1,75
	951,0	4,233	68,5	0,272	1,60
	943,1	4,250	68,6	0,252	1,47
	934,8	4,266	68,6	0,233	1,36
	926,1	4,287	68,5	0,217	1,26
	917,0	4,313	68,4	0,203	1,17
	907,4	4,346	68,3	0,191	1,10
	897,3	4,380	67,9	0,181	1,05
	886,9	4,417	67,4	0,173	1,00
	876,0	4,459	67,0	0,165	0,96
	863,0	4,505	66,3	0,15	0,43

Таблица 8.5

Параметры насыщенного водяного пара

P, мПа	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8	0,9	1,0
t, ºС	99,64	120,23	133,53	143,62	151,84	158,84	164,96	170,42	175,35	179,88
r, кДж/кг

 

Таблица 8.6

Технические характеристики водоводяных подогревателей
по отраслевым стандартам ОСТ 34-588-68

Обозначение	Наружный и внутренний диаметры корпуса, мм	Длина подогревателя с калачами, мм	Число трубок, шт.	Площадь поверхности нагрева, м2	Площадь живого сечения, м2
трубок	межтрубного пространства
01 ОСТ 34-558-68 02 ОСТ 34-558-68	57/50			0,37 0,75	0,00062	0,00116
03 ОСТ 34-558-68 04 ОСТ 34-558-68	76/69			0,65 1,31	0,00108	0,00223
05 ОСТ 34-558-68 06 ОСТ 34-558-68	89/62			1,11 2,24	0,00185	0,00287
07 ОСТ 34-558-68 08 ОСТ 34-558-68	114/106			1,76 3,24	0,00293	0,005
09 ОСТ 34-558-68 10 ОСТ 34-558-68	168/158			3,4 6,9	0,0057	0,0122
11 ОСТ 34-558-68 12 ОСТ 34-558-68	219/207			5,89	0,00985	0,0279
13 ОСТ 34-558-68 14 ОСТ 34-558-68	273/259			20,3	0,01679	0,03077
15 ОСТ 34-558-68 16 ОСТ 34-558-68	325/309			13,8	0,02325	0,04464
17 ОСТ 34-558-68 18 ОСТ 34-558-68	377/359			19,8 40,1	0,03325	0,05781
19 ОСТ 34-558-68 20 ОСТ 34-558-68	426/408			25,8 52,5	0,04356	0,07191
21 ОСТ 34-558-68 22 ОСТ 34-558-68	530/512			83,4	0,06927	0,11544
26 ОСТ 34-558-68 27 ОСТ 34-558-68	57/50			0,36 0,74	0,00062	0,00116
28 ОСТ 34-558-68 29 ОСТ 34-558-68	76/69			0,64 1,3	0,00108	0,00233
30 ОСТ 34-558-68 31 ОСТ 34-558-68	89/82			1,1 1,22	0,00185	0,00287
32 ОСТ 34-558-68 33 ОСТ 34-558-68	114/106			1,74 3,52	0,00293	0,005
34 ОСТ 34-558-68 35 ОСТ 34-558-68	168/158			3,39 6,88	0,0057	0,0122

 

Окончание таблицы 8.6

36 ОСТ 34-558-68 37 ОСТ 34-558-68	219/207			5,85 11,9	0,00985	0,02079
38 ОСТ 34-558-68 39 ОСТ 34-558-68	273/259			9,9 20,2	0,01679	0,03077
40 ОСТ 34-558-68 41 ОСТ 34-558-68	325/309			13,7 27,9	0,00062	0,04454
42 ОСТ 34-558-68 43 ОСТ 34-558-68	377/359			19,6 39,9	0,00108	0,05781
44 ОСТ 34-558-68 45 ОСТ 34-558-68	426/408			26,5 52,2	0,04356	0,071191
46 ОСТ 34-558-68 47 ОСТ 34-558-68	530/512			40,6 82,7	0,06927	0,11544

 

Таблица 8.7

Технические характеристики горизонтальных пароводяных
подогревателей по отраслевым стандартам
ОСТ 34-531-68, ОСТ 34-532-68, ОСТ 34-576-68, ОСТ 34-577-68

Обозначение	Наружный и внутренний диаметры корпуса, мм	Длина трубок, мм	Число ходов	Число трубок, шт.	Приведенное число трубок в вертикальном ряду, шт.	Площадь поверхности нагрева, м2	Площадь живого сечения, м2
Межтрубного пространства	Одного хода трубок
01 ОСТ 34-531-68 02 ОСТ 34-531-68 03 ОСТ 34-531-68 04 ОСТ 34-531-68 05 ОСТ 34-531-68 06 ОСТ 34-531-68 07 ОСТ 34-531-68 08 ОСТ 34-531-68 09 ОСТ 34-531-68	325/309 426/412 480/466 530/516 630/616 720/704 820/804 1020/1002 1220/1200				8,5 10,3 12,6 14,5 17,8 21,6 26,4 30,4 39,4	9,5 17,2 24,4 53,9 76,8 140,6	0,061 0,108 0,135 0,162 0,219 0,277 0,349 0,518 0,799	0,0052 0,0096 0,0136 0,018 0,0224 0,0432 0,0604 0,0780 0,1372
11 ОСТ 34-531-68 12 ОСТ 34-531-68 13 ОСТ 34-531-68 14 ОСТ 34-531-68 15 ОСТ 34-531-68 16 ОСТ 34-531-68 17 ОСТ 34-531-68	325/309 426/412 480/466 530/514 630/614 720/704 820/804				8,5 10,3 12,6 14,5 17,8 21,6 26,4	6,3 11,4 21,1 35,3 50,5 71,0	0,061 0,108 0,135 0,162 0,219 0,277 0,349	0,0052 0,0096 0,0136 0,018 0,0224 0,0432 0,0604

 

Окончание таблицы 8.7

01 ОСТ 34-532-68 02 ОСТ 34-532-68 03 ОСТ 34-532-68 04 ОСТ 34-532-68 05 ОСТ 34-532-68 06 ОСТ 34-532-68 07 ОСТ 34-532-68 08 ОСТ 34-532-68 09 ОСТ 34-532-68	325/309 462/412 480/466 530/516 630/616 720/704 820/804 1020/1002 1220/1200				8,5 10,3 12,6 14,5 17,8 21,6 26,4 30,4 39,4	9,5 17,2 24,4 53,9 76,8 140,6	0,061 0,108 0,135 0,162 0,219 0,277 0,349 0,581 0,799	0,0026 0,0048 0,0068 0,009 0,0112 0,0216 0,0302 0,0795 0,0636
01 ОСТ 34-576-68 02 ОСТ 34-576-68 03 ОСТ 34-576-68 04 ОСТ 34-576-68 05 ОСТ 34-576-68 06 ОСТ 34-576-68 07 ОСТ 34-576-68 08 ОСТ 34-576-68 09 ОСТ 34-576-68	325/309 462/412 480/466 530/516 630/616 720/704 820/804 1020/1002 1220/1200				8,5 10,3 12,6 14,5 17,8 21,6 26,4 30,4 39,4	9,5 17,2 24,4 53,9 76,8 140,6	0,061 0,108 0,135 0,162 0,219 0,277 0,349 0,581 0,799	0,0052 0,0096 0,0136 0,018 0,0302 0,0432 0,0604 0,0795 0,1272
11 ОСТ 34-576-68 12 ОСТ 34-576-68 13 ОСТ 34-576-68 14 ОСТ 34-576-68 15 ОСТ 34-576-68 16 ОСТ 34-576-68 17 ОСТ 34-576-68	325/309 426/412 480/466 530/514 630/614 720/704 820/804				8,5 10,3 12,6 14,5 17,8 21,6 26,4	6,3 11,4 21,1 35,3 50,5 71,0	0,061 0,108 0,135 0,162 0,219 0,277 0,349	0,0052 0,0096 0,0136 0,018 0,0302 0,0432 0,0604
01 ОСТ 34-577-68 02 ОСТ 34-577-68 03 ОСТ 34-577-68 04 ОСТ 34-577-68 05 ОСТ 34-577-68 06 ОСТ 34-577-68 07 ОСТ 34-577-68 08 ОСТ 34-577-68 09 ОСТ 34-577-68	325/309 426/412 480/466 530/516 630/616 720/704 820/804 1020/1002 1220/1200				8,5 10,3 12,6 14,5 17,8 21,6 26,4 30,4 39,4	9,5 17,2 24,4 53,9 76,8 140,6	0,061 0,108 0,135 0,162 0,219 0,277 0,349 0,581 0,799	0,0026 0,0048 0,0068 0,009 0,0151 0,0216 0,0302 0,0397 0,0636

 

Таблица 8.8

Физические свойства сухого воздуха (В = 760 мм рт.ст. ≈1,01·10⁵ Па)

t, ºС	ρ, кг/м3	сp, кДж/(кг·ºС)	λ·102, Вт/(м·К)	a·106, м2/с	μ·106, Па·с	ν·106, м2/с	Pr
	1,293	1,005	2,44	18,8	17,2	13,28	0,707
	1,247	1,005	2,51	20,0	17,6	14,16	0,705
	1,205	1,005	2,59	21,4	18,1	15,06	0,703
	1,165	1,005	2,67	22,9	18,6	16,00	0,701
	1,128	1,005	2,76	24,3	19,1	18,96	0,699
	1,093	1,005	2,83	25,7	19,6	17,95	0,698
	1,060	1,005	2,90	26,2	20,1	18,97	0,696
	1,029	1,009	2,96	28,6	20,6	20,02	0,694
	1,000	1,009	3,05	30,2	21,1	21,09	0,692
	0,972	1,009	3,13	31,9	21,5'	22,10	0,690
	0,946	1,009	3,21	33,6	21,9	23,13	0,688
	0,898	1,009	3,34	36,8	22,8	25,45	0,686
	0,854	1,013	3,49	40,3	23,7	27,80	0,684
	0,815	1,017	3,64	43,9	24,5	30,09	0,682
	0,779	1,022	3,78	47,5	25,3	32,49	0,681
	0,746	1,026	3,93	51,4	26,0	34,85	0,680
	0,674	1,038	4,27	61,0	27,4	40,61	0,677
	0,615	1,047	4,60	71,6	29,7	48,33	0,674
	0,566	1,059	4,91	81,9	31,4	55,46	0,676
	0,524	1,068	5,21	93,1	33,0	63,09	0,678
	0,456	1,093	5,74	115,3	36,2	79,38	0,687
	0,404	1,114	6,22	138,3	39,1	96,89	0,699
	0,362	1,135	6,71	163,4	41,8	115,4	0,706
	0,329	1,156	7,18	188,8	44,3	134,8	0,713
	0,301	1,172	7,63	216,2	46,7	155,1	0,717

Библиографический список

1. Кейс В.М., Лондон А.П. Компактные теплообменники. – М.: Энергия, 1967. – 223 с.

2. Тепловой и гидравлический расчет теплообменников: учеб. пособие / Н.А. Новопашина, Ю.С. Вытчиков. – Куйбышев: Куйбышевск. инж.-строит. ин-т, 1979. – 53 с.

3. Теплотехнический справочник / Под ред. В.Н. Юренева, П.Д. Лебедева. – М.: Энергия, 1976. – 89 с.

4. Поверочный тепловой расчет водогрейных котельных агрегатов: метод. указания для курсового и дипломного проектирования / Сост.: Ю.С. Вытчиков, В.М. Полонский. – Куйбышев: Куйбышевск. инж.-строит. ин-т, 1984. – 31 с.

5. Теплотехнический расчет водонагревателя: метод. указания к курсовой работе по «Тепломассообмен» / Сост.: Ю.С. Вытчиков, А.Б. Макушин. – Самара: СамГАСА, 1997. – 36 с.

6. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: справочник / В.И. Манюк, Я.И. Каплинский, Э.Б. Хиж и др. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Стройиздат, 1988. – 432 с.