Расчёт теплообменного аппарата

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

"ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ"

(ГОУВПО "ВГТУ")

Физико-технический факультет

Кафедра теоретической и промышленной теплоэнергетики

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: Тепломассообмен

на тему: Расчёт теплообменного аппарата

Разработала студентка группы НТ-061 Т.С. Тимошинова

Руководитель П.А. Солженикин

Воронеж 2009

Содержание

Введение

1. Тепловой расчёт теплообменного аппарата

1.1 Выбор схемы движения теплоносителей

1.2 Определение теплофизических свойств теплоносителей

1.3 Уравнение теплового баланса

1.3.1 Вычисление тепловой мощности теплообменного аппарата

1.3.2 Расчет расхода греющего теплоносителя

2. Теплоотдача в теплообменном аппарате

2.1 Определение режимов течения теплоносителей

2.2 Определение коэффициента теплоотдачи теплоносителями

2.3 Определение коэффициента теплопередачи

3. Уточнение температуры стенки

4. Построение графика изменения температуры теплоносителей по поверхности теплообмена

5. Конструктивный расчет ТОА

5.1 Определение количества теплообменных трубок

5.2 Определение длины трубок

5.3 Определение числа ходов

5.4 Определение диаметра кожуха теплообменного аппарата

6. Гидравлический расчет

6.1 Определение потерь давления за счет гидравлического сопротивления

6.2 Определение потерь давления на местных сопротивлениях

6.3 Определение потерь давления для трубного пространства

6.4 Определение потерь давления в межтрубном пространстве

7. Расчёт мощности насоса для прокачки теплоносителей

7.1 Определение мощности насоса для прокачки греющего теплоносителя

7.2 Определение мощности насоса для прокачки нагреваемого теплоносителя

Заключение

Список литературы

Введение

Теплообменные аппараты - это устройства передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Теплоноситель, который отдаёт теплоту называется горячим или греющим, а теплоноситель, который принимает теплоту называется холодным или нагреваемым.

Теплообменные аппараты различаются по способу передачи теплоты:

)        рекуперативные теплообменные аппараты - это теплообменные аппараты, в которых теплообмен осуществляется при одновременном движении теплоносителей омывающих одну и ту же поверхность теплообмена;

2)      регенеративные теплообменные аппараты - это теплообменные аппараты, в которых поверхность теплообмена омывается поочерёдно, сначала горячим, затем холодным теплоносителями;

)        смесительные теплообменные аппараты - это теплообменные аппараты, в которых теплота передаётся от горячего к холодному теплоносителю при их непосредственном контакте;

)        специальные теплообменные аппараты (например, с промежуточным теплоносителем).

Теплообменные аппараты должны соответствовать основным требованиям:

)        простота конструкции, компактность и малая масса;

2)      высокая тепловая производительность;

)        обеспечение заданных технологических условий процесса и высокого качества продукта;

)        соответствие требованиям охраны труда, ГОСТам;

)        экономичность работы.

В ходе выполнения курсовой работы предстоит рассчитать следующие величины:

·        тепловая мощность теплообменного аппарата ;

·        массовый расход нагреваемого теплоносителя ;

·        число Рейнольдса  (для определения режима течения);

·        коэффициент теплоотдачи ;

·        коэффициент теплопередачи ;

·        количество трубок теплообменного аппарата ;

·        длина трубок ;

·        число ходов в теплообменом аппарате ;

·        диаметр кожуха теплообменного аппарата ;

·        коэффициент гидравлического сопротивления при изотермическом течении греющего теплоносителя ;

·        потери давления для трубного пространства;

·        потери давления в межтрубном пространстве;

·        мощность насоса для прокачки греющего и нагреваемого теплоносителей, соответственно  и .

Так же предстоит определить режим течения теплоносителей, построить график изменения температур теплоносителей по поверхности теплообмена.

1. Тепловой расчёт теплообменного аппарата

1.1 Выбор схемы движения теплоносителей

Выбираем противоточную схему течения теплоносителей. Так как греющие и нагреваемые теплоносители одинаковы, то для уменьшения тепловых потерь в окружающую среду направим греющий теплоноситель в трубное пространство, а нагреваемый - в межтрубное пространство.

1.2 Определение теплофизических свойств теплоносителей

В качестве средней температуры теплоносителей  и  примем среднее арифметическое значение температур на входе в теплообменный аппарат и на выходе из него

, ⁰С

, ⁰С

где

 и  - температура греющего теплоносителя соответственно на входе и на выходе теплообменного аппарата;

 и  - температура нагреваемого теплоносителя соответственно на входе и на выходе теплообменного аппарата.

Из таблицы П-7 [1] по средним температурам теплоносителей определяем их теплофизические свойства: коэффициент кинематической вязкости , удельную изобарную теплоемкость , коэффициент теплопроводности .

теплообменный аппарат теплоноситель температура

Значения физических свойств воды для 62,5 ⁰С приведены в таблице П-7:

, м²/с;

, кДж/ (кг∙К);

, Вт/ (м∙К);

Значения физических свойств воды для 40 ⁰С приведены в таблице П-7:

, м²/с;

, кДж/ (кг∙К);

, Вт/ (м∙К).

1.3 Уравнение теплового баланса

1.3.1 Вычисление тепловой мощности теплообменного аппарата

Для рекуперативных теплообменных аппаратов, работающих без изменения агрегатных состояний теплоносителей, уравнение теплового баланса имеет вид:

, Вт

где

массовые расходы теплоносителей, кг/с

коэффициент тепловых потерь в окружающую среду .

Определяем тепловую мощность теплообменного аппарата:

, Вт.

1.3.2 Расчет расхода греющего теплоносителя

Определяем расход греющего теплоносителя:

, кг/с.

2. Теплоотдача в теплообменном аппарате

2.1 Определение режимов течения теплоносителей

Из таблицы 1 [1] задаемся средними скоростями движения теплоносителей. Как правило, скорость в межтрубном пространстве меньше, чем в трубном:

, м/с;

, м/с;

где  и  - соответственно скорость греющего и нагреваемого теплоносителей.

Параметром определяющим режим течения жидкости в трубах является число Рейнольдса.

Определяем число Рейнольдса для греющего теплоносителя:

, м

где  - внутренний диаметр трубок;

 - наружный диаметр трубок.

Определяем число Рейнольдса для нагреваемого теплоносителя:

Если , то режим течения теплоносителей турбулентный. Таким образом, в нашем случае режим течения обоих теплоносителей является турбулентным.

2.2 Определение коэффициента теплоотдачи теплоносителями

Вычислим коэффициенты теплоотдачи обоих теплоносителей, задавшись в первом приближении температурой стенки трубки , равной среднему арифметическому между температурами теплоносителей.

, ⁰С

Из таблицы П-7 [1] определяем по средним температурам теплоносителей критерий Прандтля, а также определяется критерий Прандтля по средней температуре стенки.

;

;

где ,  - критерий Прандтля соответственно для греющего и нагреваемого теплоносителей

Для нахождения критерия Прандтля для стенки  воспользовалась методом интерполяции:

.

При установившемся турбулентном движении жидкости в трубах воспользуемся критериальным уравнением Михеева:

где поправка на длину трубы. Примем ;

 - число Нуссельта для греющего теплоносителя.

Для увеличения скорости теплоносителей в межтрубном пространстве под прямым углом к трубам в кожухотрубчатых теплообменных аппаратов устанавливают перегородки. В теплообменных аппаратах такого рода поток жидкости снаружи труб направлен частично вдоль и частично поперек труб. Для нагреваемого теплоносителя используется критериальное уравнение пордольно-поперечного обтекания:

где поправка на теплоотдачу при расположении перегородок в межтрубном пространстве;

 - число Нуссельта для нагреваемого теплоносителя.

Определяем  по таблице 6 [1], полагая, что расстояние между перегородками , где диаметр кожуха теплообменного аппарата:

.

Вычисляются коэффициенты теплоотдачи  и  соответственно для греющего и нагреваемого теплоносителя:

.

.

2.3 Определение коэффициента теплопередачи

где  - термическое сопротивление загрязнений с обеих сторон стенки;

 - коэффициент теплопроводности материала трубок;

 - толщина стенки трубки.

Определим из таблицы П-7 [1] по средней температуре стенки коэффициент теплопроводности материала стенки. Для нахождения при температуре 51.25 ⁰С воспользовалась методом интерполяции:

, Вт/ (м∙К).

Из таблицы П-1 [1] определяем величину термического сопротивления загрязнений:

, (м²∙К) /Вт.

, Вт/ (м²∙К).

3. Уточнение температуры стенки

1) Определим большую  и меньшую  разности температур для противоточной схемы течения теплоносителей:

, ⁰С.

, ⁰С.

) Определяется средний температурный напор:

, ⁰С

) Из уравнения теплопередачи определяется площадь поверхности теплообмена:

, м²

) Уточняем температуру стенки по формулам:

Определяем температуру стенки со стороны греющего теплоносителя:

Определяем температуру стенки со стороны нагреваемого теплоносителя:

где  − плотность теплового потока;

, ⁰С

, Вт/м²

, ⁰С

, ⁰С

, ⁰С

Рассчитываем погрешность вычислений:

Так как  не превышает 5%, считаем, что тепловой расчет выполнен верно.

4. Построение графика изменения температуры теплоносителей по поверхности теплообмена

При построении графика изменения температуры теплоносителей по поверхности теплообмена необходимо рассчитать 3 промежуточных точки. Для этого разобьем поверхность теплообмена 4 примерно равные части. Затем по формулам для противотока рассчитывается по 3 промежуточных температуры для каждого теплоносителя.

Определяем текущее значение температуры греющего теплоносителя:

Определяем текущее значение температуры нагреваемого теплоносителя:

где F_x - текущее значение площади поверхности, измеряем её от входа теплообменного аппарата, м²;

с₁, с₂ - расходные теплоёмкости или водяные эквиваленты теплоёмкостей, Вт/К

, Вт/К;

, Вт/К;

;

 ⁰С;

 ⁰С;

 ⁰С;

 ⁰С;

 ⁰С;

 ⁰С;

Строим график изменения температур теплоносителей по площади теплообмена:

5. Конструктивный расчет ТОА

5.1 Определение количества теплообменных трубок

Предварительно полагая что рассчитываемый ТОА одноходовой. Определяем количество теплообменных трубок:

, шт

 − плотность греющего теплоносителя. Ее определяем по средней температуре греющего теплоносителя  из таблицы П-7 [1].

. кг/м³

, шт

5.2 Определение длины трубок

Определяем длину трубок:

, м

Так как трубки в ТОА не рекомендуется применять более 7 м в длину, то принимаем длину трубок теплообмена  м. В связи с этим число трубок в одном ходе обозначается определяется по формуле:

, шт

, шт

Общее количество трубок в теплообменном аппарате определяем по формуле:

, шт

5.3 Определение числа ходов

Определяем число ходов по формуле:

, шт

5.4 Определение диаметра кожуха теплообменного аппарата

 − зависит от характера размещения труб и определяется по таблице 8 [1].

 − кольцевой зазор между крайними трубами и кожухом.

м

Принимаем , м

где  - шаг труб

, м

где  − число рядов труб по ходу потока

, м.

Определяем диаметр кожуха теплообменного аппарата по формуле:

м =355,4мм

 принимаем к ближайшему большему стандартному значению.

, мм.

Рис. Принципиальная схема кожухотрубного теплообменного аппарата

.

Влияние не изотермичности потока в данном случае не существенно.

Потери давления вычислим по формуле:

, Па

где  − общая длина трубы.

, м.

, Па.

6.2 Определение потерь давления на местных сопротивлениях

Местные сопротивления находятся, используя принципиальную схему течения теплоносителей в рассчитываемом теплообменном аппарате по таблице 15 [1].

Входная и выходная камера:

) Коэффициент потерь давления на входе в трубное пространство:

) Коэффициент потерь давления на выходе из трубного пространства:

.

) Поворот на 180⁰ одной секции в другую через промежуточную камеру:

.

Суммарное местно сопротивление:

.

Определяем потери давления на местных сопротивлениях:

, Па.

6.3 Определение потерь давления для трубного пространства

Определяем потери давления для трубного пространства по формуле:

, Па.

6.4 Определение потерь давления в межтрубном пространстве

Сопротивление трения (гидравлическое сопротивление) гораздо меньше местных сопротивлений, что позволяет ими пренебречь. Полагаем, что полное сопротивление пучков труб складывается из местных сопротивлений. Тогда по таблице 15 [1] определяется коэффициент сопротивлений:

) Коэффициент потерь давления на входе в межтрубное пространство под углом 90⁰ к рабочему потоку:

) Коэффициент потерь давления на выходе из межтрубного пространства под углом 90⁰:

) Коэффициент поперечного движения в межтрубном пространстве:

 − число рядов труб по ходу потока.

.

.

) Поворот на 180 ⁰С через перегородку в межтрубном пространстве:

, шт

где  - количество перегородок.

Так как поперечных ходов в данном ТОА , то коэффициент поперечного движения  для всего аппарата необходимо увеличить в  раз:

.

Суммарное местное сопротивление:

.

, кг/м³

где  − плотность нагреваемого теплоносителя. Ее определяем по средней температуре нагреваемого теплоносителя  из таблицы П-7 [1].

Определяем потери давления в межтрубном пространстве по формуле:

, Па.

7. Расчёт мощности насоса для прокачки теплоносителей

7.1 Определение мощности насоса для прокачки греющего теплоносителя

Определяем мощность насоса для прокачки греющего теплоносителя по следующей формуле:

, Вт

7.2 Определение мощности насоса для прокачки нагреваемого теплоносителя

Определяем мощность насоса для прокачки нагреваемого теплоносителя по следующей формуле:

, Вт

Заключение

В ходе выполнения курсовой работы выбрали противоточную схему течения теплоносителей. Были определены основные параметры теплообменного аппарата:

·        тепловая мощность теплообменного аппарата  Вт;

·        коэффициент теплоотдачи для греющего и нагреваемого теплоносителей соответственно: ; ;

·        коэффициент теплопередачи , Вт/ (м²∙К);

·        коэффициент гидравлического сопротивления при изотермическом течении греющего теплоносителя: ;

·        потери давления для трубного пространства , Па;

·        потери давления в межтрубном пространстве , Па;

·        мощность насоса для прокачки греющего и нагреваемого теплоносителей, соответственно: , Вт и , Вт;

В данном случае режим течения обоих теплоносителей является турбулентным.

Так же построен график изменения температур теплоносителей по поверхности теплообмена.

Список литературы

1. Дахин С.В. Расчёт рекуперативных теплообменных аппаратов непрерывного действия: учеб. пособие / С.В. Дахин. Воронеж: ГОУ ВПО "Воронежский государственный технический университет", 2008.110 с.

. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Учебник для вузов. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Энергия. 1975, 488с.

. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия. 1973. - 368 с.