Определение требуемой величины поверхности теплообмена

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к расчетно-графической (курсовой) работе по дисциплине

«Теплопередача и теплообменные аппараты»

Тепловой и конструктивный расчет теплообменного аппарата

в системе охлаждения топливного бассейна

Общая постановка задачи.

Имеется бассейн отработавшего ядерного топлива с заданной мощностью остаточных тепловыделений.

Требуется определить основные конструктивные (геометрические) характеристики теплообменника, способного отвести заданную мощность при заданном температурном режиме – поверхность теплообмена, длину и объем трубного пучка.

Расчетная схема и исходные данные.

2.1. – выделяемая в бассейне и отводимая мощность, Вт

Заданные (требуемые) температуры

–отводимой из бассейна (охлаждаемой) воды на входе в теплообменник,°С

–возвращаемой в бассейн воды на выходе из теплообменника,°С

–промконтурной (охлаждающей) воды на входе в теплообменник,°С

–промконтурной воды на выходе из теплообменника,°С.

Рис. 1. Распределение температур при противоточной схеме охлаждения

2.3. По входным и выходным температурам определяются «горячий»(1) и «холодный» (2) температурные напоров (см. рис.1):

;

* * *

2.4. По температурам и определяются значения теплофизических параметров воды:

- плотности, ;

- изобарные теплоемкости, [1]

– вязкость,

– коэффициенты теплопроводности,

– числа Прандтля

2.5. Геометрия. Внутренний и внешний диаметр теплообменных трубок и соответственно, м; указание на квадратную или шахматная установку трубок, шаг установки трубок (межцентровое расстояние) s, м .

2.6 Материал трубок и определяемый материалом коэффициент теплопроводности .

Расчет

Необходимый общий расход охлаждаемой воды.

Уравнение теплового баланса решаем относительно расхода

Расход воды через одну трубку.

Задаемся предварительным числом теплообменных трубок

Расход через одну трубку

Средняя скорость воды в трубке

Число теплообменных трубок в первом приближении корректируем так, чтобы скорость воды была в установленных пределах, например – порядка 1 м/с и чтобы имелся запас на аварийное (ремонтное) заглушение трубок (порядка 10%).

Критерии подобия и коэффициент теплоотдачи с внутренней стороны

Число Рейнольдса

3.4.2. Число Прандтля :

В первом приближении Число Прандтля определяется по таблице свойств воды в состоянии насыщения для данной температуры – температуре воды, отбираемой на охлаждение. В уточненном варианте расчета определяем по формуле, учитывающей как температуру, так и давление.

3.4.3. Число Нуссельта:

3.4.4. Коэффициент теплоотдачи:

Геометрия и параметры течения воды в межтрубном пространстве .

Пусть трубный пучок образует прямоугольный пакет (коридорное расположение) с относительным шагом , где S – заданное межцентровое расстояние (шаг установки трубок). – наружный диаметр трубки. Тогда каждой трубке соответствует квадратная в плане ячейка со стороной . Площадь такой ячейки будет равна .

Рис. 2. Геометрия трубного пучка квадратного (коридорного) типа. d – внешний диаметр трубки, s – шаг установки (x = s/d- относительный шаг), h – размер ячейки (h = d∙x = s).

Площадь сечения трубного пучка: . Площадь проходного сечения межтрубного пространства равна площади сечения трубного пучка за вычетом суммарной площади, занятой трубками:

Считаем, что трубный пучок помечен в квадратную в плане обечайку (корпус). Поскольку площадь сечения такой обечайки в первом приближении равна , то сторона (квадрата) равна . Соответственно, периметр квадрата равен учетверенной длине стороны квадрата: 4

Смоченный периметр системы, состоящей из трубного пучка и обечайки, равен сумме периметра обечайки и сумме длин внешних окружностей (периметров) всех трубок:

Гидравлический диаметр межтрубного пространства, согласно определению гидравлического периметра, равен отношению учетверенной площади проходного сечения к смоченному периметру:

Расход воды.

Требуемый расход охлаждающей воды определяется аналогично п.3.1 через уравнение теплового баланса

3.5.2. Средняя скорость воды в межтрубном пространстве:

3.5.3. Число Рейнольдса:

Число Прандтля

Число Прандтля в межтрубном пространстве, как и для воды в трубках, первом приближении определяется по таблице свойств воды в состоянии насыщения. Температура, по которой определяется Pr , берется равной температуре воды, подаваемой на охлаждение .