background image

Technika cieplna  

w  

inzynierii bezpieczenstwa 

 

PROJEKT 

 

Wymiennik ciepla do  

podgrzewania wody. 

 

 

 

 

 

Maciej Rabiej 

Grupa 12B2 

 

TEMAT: 

Zaprojektować wymiennik ciepła do podgrzewania wody od temperatury 45 [

0

C] do 95 

[

0

C]. Natężenie przepływu wody: 24 [kg/s], prędkość wody w rurkach: 0,8 [m/s], 

czynnikiem grzewczym jest para nasycona o ciśnieniu 0,7 [MPa] (wymiennik 

przeciwprądowy).  Materiał rurek wymiennika K18.  Średnica zewnętrzna rurek : 25 

mm. Grubość ścianki rurek 2,9 mm. 
 
 
 
 
 

background image

Dane do projektu:  
 

natężenie przepływu wody: 24 [kg/s] 

prędkość wody w rurkach: 0,8 [m/s] 

czynnik grzewczy, para nasycona o ciśnieniu: pA = 0,7 [MPa] 

- tB2 = 45 [0 C] = 318,15 [K] 

- tB1 = 95 [0 C] = 368,15 [K] 

-

materiał rurek wymiennika K18 

-Cpb – 

ciepło właściwe wody dla średniej temperatury wody 

- Cpb’ – 

ciepło właściwe wody dla średniej temperatury pływów 

-dz - 

średnica zewnętrzna rurek: 25 [mm] ; r2 = 12,5 [mm] 

grubość ścianki rurek: 2,9 [mm] 

-dw - 

średnica wewnętrzna rurek : 25 - 2*2,9 = 19,2 [mm] ; r1= 9,6 [mm] 

 
 

Pozostałe wielkości: 
C

p b

 - 

ciepło właściwe wody dla średniej temperatury wody = 4170 [J / 

kg* K] 

C

p b

'   - 

ciepło właściwe wody dla śr. temperatury płynów = 4240 [J/ kg*K] 

ν - lepkość kinematyczna wody dla średniej temp. wody = 0,556 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

[

𝒎𝒎

𝟐𝟐

/

𝒔𝒔

ν' - lepkość kinematyczna wody dla śr. temp. płynów 0,257 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

 [

𝒎𝒎

𝟐𝟐

/𝒔𝒔

ν

k

 - 

lepkość kinematyczna kondensatu = 0,186 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

 [

𝒎𝒎

𝟐𝟐

/𝒔𝒔

ρ - gęstość wody dla średniej temperatury wody = 988,1[kg/𝒎𝒎

𝟑𝟑

ρ' - gęstość wody dla średniej temperatury płynów = 944,95[kg/𝒎𝒎

𝟑𝟑

ρ

k

 - 

gęstość kondensatu = 902,4[kg/𝒎𝒎

𝟑𝟑

ɳ - lepkość dynamiczna wody dla średniej temperatury wody 549,38 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

 

[kg/ms] 

ɳ'  - lepkość dynamiczna wody dla średniej temp. płynów = 242,85 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

 

[kg/ms]

 

ɳ

k

 - 

lepkość dynamiczna kondensatu wody przy ciś. nasycenia = 167,84 * 

𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

 [kg/ms] 

background image

λ

r

 - 

współczynnik przewodzenia materiału rurki = 49,07  [W/mK] 

λ - współczynnik przewodzenia dla śr. temp. wody=  648 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟑𝟑

 [W/mK] 

λ' - współczynnik przewodzenia dla śr. temp. płynów= 681,016 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟑𝟑

 

[W/mK] 

λ

k

  - 

współczynnik przewodzenia kondensatu =  685,76 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟑𝟑

 [W/mK] 

𝟏𝟏

𝛂𝛂

𝟏𝟏

−  𝐨𝐨𝐨𝐨ó𝐫𝐫 𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐨𝐨𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜𝐜 𝐨𝐨𝐨𝐨𝐨𝐨𝐨𝐨𝐨𝐨 𝐨𝐨𝐜𝐜𝐨𝐨 𝐰𝐰𝐨𝐨𝐨𝐨𝐜𝐜 = 𝟏𝟏, 𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟏𝟐𝟐𝟎𝟎 [

𝐦𝐦

𝟐𝟐 

𝐊𝐊

𝐖𝐖

 
 
 
 
Bilans cieplny: 
 

Przyjmujemy, że skraplanie pary zachodzi według przemiany izobarycznej i nie występuje 

przechłodzenie skroplin. 
 
 . 
Q = m

A

 c

pA

 

Δt

A

 = m

B

 c

pB

 

Δt

 . 
Q = m

A

 r

A

 = m

B

 c

pB

 

Δt

 . 
Q = m

A

 r

A

 = m

B

 r

 
gdzie: r

A

 – 

ciepło właściwe skraplania pary 

 

Temperaturę pary grzejnej określamy przy danym ciśnieniu (temperatura nasycenia) i 
odczytujemy dla zadanego p

A

. Otrzymujemy wartość t

A1

 = t

A2  

oraz

 

ciepło właściwe 

skraplania pary przy zadanym ciśnieniu pary nasyconej r

(entalpia parowania). 

 

Dla p

= 0,7 [MPa] = 7,0 [bar] 

 
t

A1

 = t

A2 

= 164,96 [

0

 C] = 438,11 [K] 

r

A

  = 2067 [kJ/kg] 

 

Obliczamy: 
 

Δt

A

 = t

A2

 - t

A1  

różnica temperatur pary na wlocie i na wylocie 

 

Δt

A

 u nas wynosi 0. 

 
  

Stąd : 

 
 

  c

Pbk = 

4,36 [kJ / kg K]  

 
 
 
 

background image

Δt

B

 = t

B2

 – t

B1 

 - 

różnica temperatur wody na wlocie i na wylocie 

Δt

= 368,15 [K] – 318,15 [K] = 50 [K] 

 

Δt

1

 = t

A1

 – t

B2 

 - 

różnica temperatur początkowych pary i wody 

 

Δt

1

 = 438,11 [K] –318,15 [K] = 119,96 [K] 

 

Δt

2

 = t

A2

 – t

B1 

 - 

różnica temperatur końcowych pary i wody 

 

Δt

2

 = 438,11 [K] –368,15 [K] = 69,96  [K] 

 

Stosujemy wzór:   

Δt

śr

 = 

𝚫𝚫𝚫𝚫𝟏𝟏 −𝚫𝚫𝚫𝚫𝟐𝟐 

ln

𝚫𝚫𝚫𝚫𝟏𝟏

𝚫𝚫𝚫𝚫𝟐𝟐

 

 

Δt

śr

  = (119,96 - 69,96) / 0,54 = 92,7 [K] 

 
 

Obliczamy średnią temperaturę pary 
 

Δt

śrA

 = (t

A1

 + t

A2

) / 2 =  t

A1 

= t

A2 

 

Δt

śrA

 = (438,11 [K] + 438,11 [K] ) / 2 = 438,11 [K] = 164,96 [

o

C] 

 

Δt

śrB

 = 

∆t

śrA

 - 

∆t

śr  

 

Δt

śrB

 = 438,11 [K] – 92,7 [K] = 345,41 [K] =72,26 [

o

C]

 

 
 

(‘)   

𝚫𝚫𝚫𝚫ś𝐫𝐫𝐫𝐫 +𝚫𝚫𝚫𝚫ś𝐫𝐫𝐫𝐫

𝟐𝟐

 = 391,81 [K] = 118,66 [

o

C] 

 
Wtedy : c

Pb’ = 

 4,24 [kJ / kg K] 

 
Przyjmujemy : c

pB

 = 4,17 [kJ / kg K]  

 
Oraz : 
 
𝝂𝝂 = 0,556 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

[

𝒎𝒎

𝟐𝟐

/𝒔𝒔

𝝆𝝆 = 988,1[kg/𝒎𝒎

𝟑𝟑

𝜼𝜼 =549,38 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

 [kg/ms] 

𝝂𝝂

𝒌𝒌

 =0,186 * 

𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

 [

𝒎𝒎

𝟐𝟐

/𝒔𝒔

𝝆𝝆

𝒌𝒌

=902,4[kg/

𝒎𝒎

𝟑𝟑

𝜼𝜼

𝒌𝒌

=167,84 * 

𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

 [kg/ms] 

𝝂𝝂’ = 0,257 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

 [

𝒎𝒎

𝟐𝟐

/𝒔𝒔

𝝆𝝆’=944,95[kg/𝒎𝒎

𝟑𝟑

𝜼𝜼’=242,85 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

 [kg/ms] 

 
 
Obliczamy:    
 . 
Q = m

B*

 c

pB*

 

Δt

 . 
Q = 24 [kg/s] * 4,19 [kJ / kg K] * 50 [K] = 5028000 [J/s] 
 
 

background image

 
 
Obliczenie powierzchni wymiany ciep

ła: 

 . 

Q = k F Δt

śr

          

 
gdzie: F – powierzchnia wymiany 
 
Czyli: 
        

F =  

Q

(k Δtśr)

 

 
 
F = 5028000 [J/s] / (1200 [W / m

2

 K] * 92,6 [K] ) = 45,25 [m

2

]  

 
 
 
 
Dobór wst

ępny wymiennika: 

 

Dla obliczonej powierzchni F dobieramy wstępnie wymiennik ciepła. Należy wybrać 

materiał, z którego zostanie wykonany ë. 
 
L – 

długość rur  

 
n – 

liczba rur (zaokrąglić w górę) 

 . 

m

B

 = 

π dw 2 

4

 ρwn 

 

więc: 
          .  

n =  

4 mB 

π dw 2 ρw

 

 

Prędkość wody w rurkach : 0,8 [m/s] 
 

ρ = 988,1 [kg/m

3

]  

d

 = 25 mm = 0,025 [m] 

s = 2,9 mm = 0,0029 [m] 
d

w  

=  d

 - 2s=  0,0192 [m] 

 

n = 

4 mB 

π dw 2 ρw

 

 
n = 4 * 24/ 3,14 * ( 0,0192)

2  

* 988,1 * 0,8 = 104,91 

 
 
 
 
 

background image

Obliczona powierzchnia wymiany:  
F = n 

π d

z

 L 

więc: 
L = F / n 

π d

z

  

 
L = 45,25 / 104,91* 3,14 * 0,025 = 5,494 [m] 
 

Obliczamy liczbę k. 
 

Aby obliczyć prawidłową wartość powierzchni należy określić k. 

Zadanie zostało rozwiązane dla przyjętej wartości k i należy sprawdzić poprawność doboru 

tego współczynnika. 
 

Wiemy że Q=nkFΔt

śr 

 

Współczynnik k zależy od wyboru powierzchni. Przyjmijmy że liczymy współczynnik dla 

powierzchni zewnętrznej. 
To  k= 

1

𝑟𝑟2

𝑟𝑟1𝛼𝛼1

 + 

𝑟𝑟2

𝜆𝜆𝑟𝑟  

 ln

𝑟𝑟2

𝑟𝑟1

 + 

1

𝛼𝛼2

  

 
dodaje się dodatkowy opór ( 

1

𝛼𝛼

0

 = 0,00025 [mK/W] ) 

 

k= 

1

𝑟𝑟2

𝑟𝑟1𝛼𝛼1

 + 

𝑟𝑟2

𝜆𝜆𝑟𝑟  

 ln

𝑟𝑟2

𝑟𝑟1

 + 

1

𝛼𝛼2

 +

1

𝛼𝛼0

   

 
 

Obliczamy liczbę Prandtla 
 
𝝀𝝀

𝒓𝒓

= 49,07  [W/mK] 

𝝀𝝀 = 648 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟑𝟑

 [W/mK] 

𝝀𝝀

𝒌𝒌

 = 685,76 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟑𝟑

 [W/mK] 

𝝀𝝀

 = 681,016 * 𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟑𝟑

 [W/mK] 

 

Prsc’ = 

𝜼𝜼+𝐜𝐜𝐏𝐏𝐏𝐏

λ

 = 242,85 * 

𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

 + 4,24 [kJ / kg K/ 681,016 * 

𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟑𝟑

 [W/mK] = 1,512 

Pr 

𝜼𝜼+𝐜𝐜𝐏𝐏𝐏𝐏

λ

 = 549,38 * 

𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

 [kg/ms] + 4,17 [kJ / kg K] / 648 * 

𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟑𝟑

 [W/mK] = 3,533 

 
 

Obliczamy wartość liczby Reynoldsa: 
 

Re = 

𝑤𝑤 𝐷𝐷𝑤𝑤

𝑣𝑣

  

 
Re= 0,8 [m/s] * 0,0192 [m] / 0,556 * 

𝟏𝟏𝟏𝟏

−𝟔𝟔

 [

𝒎𝒎

𝟐𝟐

/𝒔𝒔] = 27625,89 

 
 
 
 
 
 

background image

Obliczamy Liczbę Nusselta. 
 
Nu = 0,021 Re

0,8

 Pr

0,43

 ((Pr / Pr

śc

)

0,25

 

Nu = 0,021 * 

(𝟐𝟐𝟐𝟐𝟔𝟔𝟐𝟐𝟎𝟎, 𝟖𝟖𝟖𝟖)

𝟏𝟏,𝟖𝟖

*

(𝟑𝟑, 𝟎𝟎𝟑𝟑𝟑𝟑)

𝟏𝟏,𝟒𝟒𝟑𝟑

*

((

𝟑𝟑,𝟎𝟎𝟑𝟑𝟑𝟑
𝟏𝟏,𝟎𝟎𝟏𝟏𝟐𝟐

)

𝟏𝟏,𝟐𝟐𝟎𝟎

) = 1596,328 

 

Obliczamy współczynnik wnikania ciepła od strony wody. 
 

α

obliczamy ze wzoru na liczbę Nusselta: 

 
Nu = 

α

1  

d

w

 / 

λ   

 

więc: 
 

α

1  

= Nu 

λ / d

w  

dla wartości współczynników dobranych z tabel dla średniej temperatury 

wody 
 
𝛼𝛼

1

   = 

Nu  λ 

dw

   

 

𝛼𝛼

1

   = 

1596,328 ∗  648  ∗ 10

−3

 

0,0192

=  53876,07 

 
 

Obliczamy współczynnik wnikania ciepła od strony pary. 
 
 

𝑚𝑚

𝐴𝐴

̇

𝑄𝑄

𝑟𝑟

𝐴𝐴

=  

5028  𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑠𝑠

2067 𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑘𝑘𝑘𝑘

= 2,4325 

𝑘𝑘𝑘𝑘

𝑠𝑠

 

g=9,81 m/s

2

 

 

𝛼𝛼

2

=  0,7

4

3

∗ [

𝜆𝜆

𝑘𝑘

3

∗𝜌𝜌

𝑘𝑘

2

∗𝐿𝐿∗𝜋𝜋∗𝑘𝑘∗𝑛𝑛

ɳ

𝑘𝑘

∗𝑚𝑚

𝐴𝐴

̇

]

1

3

= 13996,55

𝑊𝑊

𝑚𝑚

2

∗𝐾𝐾

   

 

Mając α

1

 

i α

2

 

mamy też k : 

  

𝑘𝑘 = 

1

𝑟𝑟

2

𝑟𝑟

1

∗ 𝛼𝛼

1

+  𝑟𝑟

2

𝜆𝜆

𝑟𝑟

ln 𝑟𝑟

2

𝑟𝑟

1

+ 1

𝛼𝛼

2

+ 1

𝛼𝛼

0

=

1

0,0125𝑚𝑚

0,0096𝑚𝑚 ∗ 53876,07 𝑊𝑊

𝑚𝑚

2

∗ 𝐾𝐾

+ 0,0125𝑚𝑚

49,07 𝑊𝑊

𝑚𝑚 ∗ 𝐾𝐾

ln �0,0125𝑚𝑚

0,0096𝑚𝑚� +

1

13996,55 𝑊𝑊

𝑚𝑚

2

∗ 𝐾𝐾

+ 0,00025 𝑚𝑚

2

∗ 𝐾𝐾

𝑊𝑊

 

 

 

=

 2422,150[

𝑊𝑊

𝑚𝑚

2

∗𝐾𝐾

]

 

 

Otrzymaliśmy nową wartość k. 

background image

Obliczamy 

błąd. 

 

∆ = 

|𝑘𝑘

𝑛𝑛𝑛𝑛𝑤𝑤𝑛𝑛

 −  𝑘𝑘 |

𝑘𝑘

𝑛𝑛𝑛𝑛𝑤𝑤𝑛𝑛

 ∗ 100% = 

| 2422,150  −  1200 |

2422,150

∗ 100%  = 50,46% 

 
 
 
 
 

 

Wykonujemy dodatkowe obliczenia k dla nowych wartości F i L (dla nowej, obliczonej 

wartości k

nowe

) do czasu, gdy błąd nie będzie większy od 5% . 

Znajdujemy nową wartość powierzchni :  

𝐹𝐹  =  

5028000𝑊𝑊

 2422,150  ∗  92,6 =  22,417 𝑚𝑚

2

 

 

Znajdujemy nową wartość L : 

𝐿𝐿  =  

22,417 𝑚𝑚

2

104,91 ∗ 𝜋𝜋 ∗ 0,025𝑚𝑚 = 5,820 𝑚𝑚

 

Nową wartość α

2

 :  

𝛼𝛼

2

=  0,7

4

3

∗ [

𝜆𝜆

𝑘𝑘

3

∗ 𝜌𝜌

𝑘𝑘

2

∗ 𝐿𝐿 ∗ 𝜋𝜋 ∗ 𝑘𝑘 ∗ 𝑛𝑛

ɳ

𝑘𝑘

∗ 𝑚𝑚

𝐴𝐴

̇

]

1

3

= 14268,08

𝑊𝑊

𝑚𝑚

2

∗ 𝐾𝐾

 

 

Nowa wartość k: 

𝑘𝑘 = 

1

𝑟𝑟

2

𝑟𝑟

1

∗ 𝛼𝛼

1

+  𝑟𝑟

2

𝜆𝜆

𝑟𝑟

ln 𝑟𝑟

2

𝑟𝑟

1

+ 1

𝛼𝛼

2

+ 1

𝛼𝛼

0

=

1

0,0125𝑚𝑚

0,0096𝑚𝑚 ∗ 53876,07 𝑊𝑊

𝑚𝑚

2

∗ 𝐾𝐾

+ 0,0125𝑚𝑚

49,07 𝑊𝑊

𝑚𝑚 ∗ 𝐾𝐾

ln �0,0125𝑚𝑚

0,0096𝑚𝑚� +

1

14268,08 𝑊𝑊

𝑚𝑚

2

∗ 𝐾𝐾

+ 0,00025 𝑚𝑚

2

∗ 𝐾𝐾

𝑊𝑊

 

=

 2430,153[

𝑊𝑊

𝑚𝑚

2

∗𝐾𝐾

Błąd :  

 

∆ = 

|𝑘𝑘

𝑛𝑛𝑛𝑛𝑤𝑤𝑛𝑛

 −  𝑘𝑘 |

𝑘𝑘

𝑛𝑛𝑛𝑛𝑤𝑤𝑛𝑛

 ∗ 100% =  

| 2430,153  −  2422,150|

2430,153

∗ 100%  = 0,33%  < 5% 

background image

 

 

Dla tak obliczonej powierzchni F dodajemy 10% powierzchni jako rezerwę  

( dodatkowo ilość rurek n+10%n ) 

F+10%F = 24,659 m

2

 

n+10%n = 115,401 

Znając liczbę rur znajdujemy średnicę wewnętrzną płaszcza. 

𝐹𝐹  =  𝜋𝜋𝑅𝑅

2

 −>  𝑅𝑅  =   �

𝐹𝐹
𝜋𝜋   = 2,671𝑚𝑚 

 

Oraz dane potrzebne do rysunku graficznego przekroju wymiennika ciepła 

t=(1,5÷1,25)d

z

 

t= (37,5mm÷31,25mm)