Теплопередача ТТ.4 Глава 12

TT.4 Глава двенадцатая. Краснощёков

Тепловой расчет теплообменных аппаратов

Часть задач есть решенные, контакты

12-1. Масло марки МС поступает в маслоохладитель с температурой  = 70°С и охлаждается до температуры  = 30°С. Тем­пература охлаждающей воду на входе  = 20°С.

Определить температуру воды на выходе из маслоохладителя, если расходы масла и воды равны соответственно G₁ = 1 · 10⁴ кг/ч и G₂ = 2,04 · 10⁴ кг/ч. Потерями теплоты в окружающую среду пренебречь.

12-2. До какой температуры будет нагреваться вода в маслоохладителе, если расходы масла и воды будут одинаковыми: G₁ = G₂, а температуры,  и  такими же, как в задаче 12-1?

12-3. Определить значения средних логарифмических температур­ных напорол между теплоносителями в условиях задач 12-1 и 12-2. если теплоносители движутся по схеме противотока.

12-4. В воздухоподогревателе воздух нагревается от температуры = 20°С до = 210°С, а горячие газы охлаждаются от тем­пературы  = 410°С до  = 250°С.

Определить средний логарифмический температурный напор между воздухом и газом для случаев движения их по прямоточной и противоточной схемам (рис. 12-1).

12—5. Определить среднелогарифмический температурный напор для условий задачи 12-4, если воздух и газ движутся по схеме «пе­рекрестный ток» и поток каждого теплоносителя хорошо перемеши­вается. Сравнить результат с ответом к задаче 12-4.

12-6. В трубчатом пароводяном теплообменнике сухой насы­щенный водяной пар с давлением р = 3,5 · 10⁵ Па конденсируется на внешней поверхности труб. Вода, движущаяся по трубам, нагревает­ся от  = 20°С до  = 90°С.

Определить среднелогарифмический температурный напор в этом теплообменнике (рис. 12-2).

12—7. Определить расход пара в пароводяном теплообменнике, рассмотренном в задаче 12-6, если расход воды составляет G₁ = 8 т/ч. Считать, что переохлаждение конденсата отсутствует.

12-8. Как изменятся среднелогарифмический температурный на­пор и расход пара для условий задач 12-6 и 12-7, если давление пара повысить до р = 7 · 10⁵ Па?

12-9. Определить площадь поверхности нагрева водяного энономайзера, в котором теплоносители движутся по противоточной схе­ме, если известны следующие величины: температура газов на входе  = 420°С: расход газов G₁ = 220 т/ч; теплоемкость газов с_р1 = 1,045 кДж/(кг · °С); температура воды на входе  = 105°С; расход воды G₂ = 120 т/ч; количество передаваемой теплоты Q = 13,5 МВт; коэффициент теплопередачи от газов к воде k = 79 Вт/(м² · °С).

12-10. Определить площадь поверхности нагрева водяного экономайзера, рассмотренного в задаче 12-9, если теплоносители дви­жутся по прямоточной схеме. Сравнить полученный результат с отве­том к задаче 12-9.

12-11. В противоточный водо-водяной теплообменник, имеющий площадь поверхности нагрева F = 2 м², греющая вода поступает с температурой  = 85°С; ее расход G₁ = 2000 кг/ч. Расход нагрева­емой воды G₂ = 1500 кг/ч и ее температура на входе в теплообменник  = 25°С.

Определить количество передаваемой теплоты и конечные температуры теплоносителей, если известно, что коэффициент теплопередачи от нагретой воды к холодной k = 1400 Вт/(м² · °С).

12-12. Определить площадь поверхности нагрева и число сек­ций водо-водяного теплообменника тина «труба в трубе» (рис. 12-3).

Греющая вода движется по внутренней стальной трубе [λ_с = 45 Вт/(м · °С)] диаметром d₂/d₁ = 35/32 мм и имеет температуру на входе t_ж1 = 95°С. Расход греющей воды G₁ = 2130 кг/ч.

Нагреваемая вода движется противотоком по кольцевому кана­лу между трубами и нагревается от = 15°С до  = 45°С. Внутренний диаметр внешней трубы D = 48 мм. Расход нагреваемой воды G₂ = 3200 кг/ч. Длина одной секции теплообменника l = 1,9 м.

Потерями теплоты через внешнюю поверхность теплообменника пренебречь.

12-13. В секционном теплообменнике типа «труба в трубе» горячее трансформаторное масло охлаждается водой.

Трансформаторное масло движется по внутренней латунной трубе диаметром d₂/d₁ = 14/12 км со скоростью ω = 4 м/с. Температура масла на входе в теплообменник  = 100°С. Вода движется по коль­цевому зазору противотоком по отношению к маслу со скоростью ω₂ = 2,5 м/с, ее температура на входе  = 20°С. Внутренний  диа­метр внешней трубы d₃ = 22 мм.

Определить общую длину теплообменной поверхности, при кото­рой температура масла на выходе будет  = 60°С.

Потерями теплоты через внешнюю поверхность теплообменника пренебречь.

12-14. В трубчатом двухходовом воздухоподогревателе парового котла (рис. 12-4) воздух в количестве G₂ = 21,5 кг/с должен на­греваться от  = 30°С и  = 260°С.

Определить необходимую площадь поверхности нагрева, высоту труб в одном холе l₁ и количество труб, расположенных поперек и вдоль потока воздуха.

Дымовые газы (13% СО₂, 11% Н₂О) в количестве G₁ = 19,6 кг/с движутся внутри стальных труб (λ_с = 46,5 Вт/(м · °С) диаметром d₂/d₁ = 53/50 мм со средней скоростью ω₁ = 14 м/с. Температура газов на входе в воздухоподогреватель  = 380°С.

Воздух движется поперек трубного пучка со средней скоростью в узком сечении пучка ω₂ = 8 м/с. Трубы расположены в шахматном порядке с шагом s₁ = s₂ = 1,3 d₂.

12-15. Выполнить тепловой расчет и определить основные разме­ры вертикального четырехходового пароводяного трубчатого тепло­обменника, предназначенного для нагрева G₁ = 30 т/ч воды от  = 20°С до  = 95°С.

Вода движется внутри латунных трубок [λ = 104,5 Вт/(м · °С)] диаметром d₂/d₁ = 14/12 мм со скоростью ω = 1,5 м/с. Греющим теплоносителем служит сухой насыщенный водяной пар с давлением р = 127,5 кПа, который конденсируется на внешней поверхности трубок.

При расчете тепловые потерн в окружающую среду принять рав­ными 2 % количества подводимой теплота. Схема теплообменника представлена на рис. 12-5.

12—16. Выполнить тепловой расчет пароводяного теплообменника, рассмот­ренного в задаче 12-15, если давление греющего пара повышено до р = 226 кПа, а все другие условия остались без изменений.

12-17. Определить площадь поверхности нагрева и длину отдель­ных секций (змеевиков) змеевикового экономайзера парового котла, предназначенного для подогрева питательной воды в количестве G2 = 230 т/ч от  = 160°С до  = 300°С (рис. 12-6).

Вода движется снизу вверх по стальным трубам [λс = 22 Вт/(м × °С)] диаметром d₁/d₂ = 44/51 мм со средней скоростью ω₂= 0,6м/с.

Дымовые газы (13% С0₂, 11% Н₃0) движутся сверху вниз в межтрубном пространстве со средней скоростью в узком сечении трубного пучка ω₁ = 13 м/с. Расход газов G₁ = 500 т/ч. Температура газов на входе в экономайзер  = 800°С. Трубы расположены в шахматном порядке с шагом поперек потока газов s₁ = 2,1d и вдоль потока s₂ = 2 d.

12-18. Выполнить тепловой расчет и определить число и длину змеевиков пароперегревателя парового котла производительностью G₂ = 230 т/ч пара при давлении р = 9,8 МПа и температуре перегрева  = 510°С (рис. 12-7).

В пароперегреватель поступает сухой насыщенный водяной пар. Пар движется по стальным трубам диаметром d₂/d₁ = 32/28 мм [λ_с = 22 Вт/(м · °С)] со средней скоростью ω₂ = 17 м/с.

Дымовые газы (13% С0₂, 11% Н₂0) в количестве G₁ = 500 т/ч движутся поперек трубного пучка. Температура газов на входе  = 1100°С. Средняя скорость газов в узком сечении пучка ω₁ = 14 м/с. Трубы расположены в коридорном порядке с шагом по­перек потока s₁ = 2,3d₂ и вдоль потока s₂ = 3d₂.

При расчете изменением давления пара по длине пароперегрева­теля пренебречь.

12-19. Двуокись углерода при давлении р = 10 МПа в количестве G₂ = 0,02 кг/с поступает в круглую трубку диаметром мм, про­ходит участок гидродинамической стабилизации и с температурой t_ж1 = 30°С поступает в обогреваемый участок трубки, где нагревает­ся при постоянной платности теплового потока на стенке q_с = 8× 10⁵ Вт/м².

Найти распределение температуры по длине трубки. Расчет вы­полнять для относительных расстояний от входа в трубку х/_d = 2, 4, 10, 20. 30, 38, 50, 60 и 75.

12-20. По круглой трубке с диа­метром d = 4 мм движется двуокись углерода. Давление двуокиси угле­рода р = 10 МПа и ее расход G = 0,03 кг/с. В обогреваемый участок трубки двуокись углерода поступает с температурой t_ж1 = 10°С и нагре­вается при постоянной плотности теплового потока на стенке q_с = 1,3 · 10⁶ Вт/м². Перед обогреваемым участком имеется необогреваемый участок гидродинамической стабили­зации.

Найти распределение температу­ры по длине трубки. Расчет выпол­нить для относительных расстояний от входа в трубку х/d = 2, 4, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 65 и 75.

12-21. Определить распределение температуры и поперечном се­чении тепловыделяющего элемента, имеющего форму полого цилинд­ра с внутренним диаметром d₁ = 14 мм и наружным диаметром d₂ = 28 мм; выполненного из урана [λ = 31 Вт/(м · °С)]. Обе поверхности твэла покрыты плотно прилегающими оболочками из нержавеющей стали [[λ_об = 21 Вт/(м · °С)] толщиной δ = 0,5 мм. Объемную плотность тепловыделения в уране принять равномерной но сечению и равной q_υ = 2 · 10⁸ Вт/м³.

Твэл охлаждается водой, которая движется по внутреннему ка­налу круглого сечения и внешнему кольцевому каналу. Внешний диаметр кольцевого канала d_з = 34 мм. Среднемассовая температура и расход воды во внутреннем канале t_ж1 = 180°C, G₁ = 0,18 кг/c и во внешнем канале
t_ж2 = 200°С, G₂ = 0,30 кг/с.

При расчете принять, что через внешнюю поверхность кольцево­го канала теплообмена нет, т. е. q₃ = 0.

12—22. Определить распределение температур в поперечном се­чении твэла, рассмотренного в задаче 12-21, если расход воды во внутреннем канале уменьшился в 2 раза, т. е. G₁ = 0,09 кг/с, а все остальные условия остались без изменений.

12-23. Определить распределение темпера­туры воды по длине внешнего и внутреннего каналов в тепловыделяющем элементе с дву­мя ходами теплоносителя (типа «трубки Фил­да»). Вода поступает сверху на внешний коль­цевой канал, движется вниз, проходит пово­рот и движется вверх по внутреннему кольце­вому каналу до выхода из трубки.

Основные размеры твэла (рис. 12-11): длина каждого хода l = 2,7 м; диаметры внут­реннего кольцевого канала d₁ = 14 мм, d₂ = 20 мм; диаметры внешнего кольцевого ка­нала d₃ = 22 мм, d4 = 28 мм; внешний диаметр твэла d₅ = 34 мм.

Расчет выполнить для следующих условий: плотность теплового потока на поверхности центрального тепловыделяющего стержня q_с = 8 · 10⁵ Вт/м²; скорость движения воды, во внутреннем кольцевом канале ω1 = 2 м/с; тем­пература воды на входе во внешний канал υ_о = 9О°С; температура воды, омывающей внешний канал снаружи, Т постоянна по длине и равна 86°С; коэффициент теплопроводности материала стенок λ = 21 Вт/(м· ^°С).

Коэффициент теплоотдачи и коэффициенты теплопередачи принять постоянным по длине и при их определении использовать фи­зические свойства воды при средней по длине температуре воды в данном канале.

Коэффициенты теплоотдачи с обеих сторон внешней стенки твэ­ла принять одинаковыми α₃ = α₂. Теплоемкость воды принять посто­янной и с_р = 4,25 · 10³ Дж/(кг · °С).

В результате расчета определить температуру воды в конце пер­вого хода υ1 и на выходе из второго хода t₀, а также координату х_m и значение υ_m максимальной температуры воды в первом ходе.

12-24. Определить распределение температуры волы по длине кольцевых каналов в тепловыделяющем элементе с двумя ходами теплоносителя, рассмотренного в задаче 12-23, если скорость движения воды во внутреннем канале увеличить в 2 раза: с 2 до 4 м/с. Теплоемкость воды принять постоянной и с_р = 4,23 · 10³ Дж/(кг · °С). Все остальные условия оставить без изменений.

12-25. Определить распределение температур теплоносителя и стенки по длине канала активной зоны атомного реактора. Тепловыделяющий элемент (рис. 12-12) имеет фор­му цилиндра с внешним диаметром d₁ = 21 мм и длиной l = 2,8 м, выполненного из урана [λ = 31 Вт/(м · °С)]. Поверхность твэла покрыта плотно прилегающей оболочкой из нержавею­щей стали [λ = 21 Вт/(м · °С)] толщиной δ = 0,5 мм.

Объемную плотность тепловыделения в уране q₀ принять постоянной по сечению и изменяющейся по длине по косинусоидальному закону (реактор без торцевых отражателей) Если начало координат расположить в середине по длине твэла, то при х = 0 q_υ0 = 4,9 × 10⁷ Вт/м³.

Твэл охлаждается двуокисью углерода, которая движется по кольцевому каналу внешним диаметром d₂ = 30 мм. Давление и расход двуокиси углерода р = 2 МПа, G = 0,25 кг/с, а ее температура на входе в ка­нал t_ж1 = 150°С. Теплообменом через внешнюю стенку кольцевого канала пренебречь.

При расчете принять коэффициент тепло­отдачи от поверхности оболочки к теплоноси­телю постоянным по длине, и его значение оп­ределить приближенно по формуле для тепло­отдачи в круглых трубах и без поправки на температурный фактор.

В результате расчета определить температуру двуокиси углеро­да t_ж, температуры на внешней и внутренней поверхностях оболочки t_с и t_с1 и на оси твэла t_оси на расстояниях от входа: 0,5; 1,0; 1,4; 1,8 и 2,3 м (х = — 0,9; — 0,4; 0,0; 0,4; 0,9 м), а также координаты и значения максимальных температур t_с.m, t_с1,m и t_оси,m.

Физические свойства двуокиси углерода при р = 2 МПа и t = 150 ÷ 300°С [25] приводятся в следующей таблице.

12-26. Определить распределение температур теплоносителя и стенки по длине твэла, рассмотренного в задаче 12-25, если теплоносителем является натрий.

Максимальная объемная плотность тепловыделения в уране q_υ0 = 1,2 · 10⁸ Вт/м³. Расход натрия G = 0,66 кг/с, а его температура на входе в канал t_ж1 = 300°С. Все остальные условия остаются такими же, как в задаче 12-25.

В результате расчет определить значения тех же величин, что были рассчитаны в задаче 12-25.

Часть задач есть решенные, контакты