Расчет спирального теплообменника для подогрева жидкого металла

Расчет спирального теплообменника для подогрева жидкого металла

Министерство образования и науки РФ

Государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

Институт двигателей и энергетических установок

Кафедра теплотехники и тепловых двигателей

Контрольная работа

«Расчет спирального теплообменника для подогрева жидкого металла»

Выполнил:

Скачкова В.О.

г. Самара 2015

Содержание

1. Тепловой расчет

. Гидравлический расчет

. Расчет тепловых потерь

Заключение

Список использованных источников

Приложение

1. Тепловой расчет

. Определяется среднелогарифмический температурный напор в теплообменнике

 (2)

где  - наибольшая концевая разность температур независимо от того, на каком конце аппарата она получается;

 - наименьшая концевая разность температур.

. Выбирается среднее значение скорости жидкого металла. В соответствии со списком использованных источников [3] с.204, для жидких металлов

Анализ зависимостей, приведенных в пунктах 8, 16, 18, 19 и 30, показывает, что минимальный размер D_к получается при наименьшем возможном диаметре трубки змеевика.

. Определяется среднее значение плотности жидкого металла в соответствии со списком использованных источников [8]

Полученная величина округляется до стандартного значения. Практически для жидкометаллических теплоносителей величина принимается в пределах 10…20мм.

. Выбирается значение наружного диаметра трубки змеевика

В данном задании расчет на прочность не производится. Из условия надежности при длительной эксплуатации величина  должна быть не менее 1,5…2 мм.

. Выбирается среднее значение скорости воздуха с учетом загромождения сечения кольцевого канала змеевиком. Целесообразно задаться тремя значениями скорости воздуха в пределах [3].

. Определяется приближенное значение площади поперечного сечения кольцевого канала с учетом загромождения его змеевиком

. Выбирается диаметр барабана  из условия [3].

. Определяется диаметр кожуха  из условия

Представленное выражение является квадратным уравнением относительно. После постановки числовых значений уравнение решается обычным способом. Найденное значение  округляется до ближайшего целого числа миллиметров .

9. Определяется коэффициент теплоотдачи от воздуха к змеевику

где и выбираются по из табл.2. [8]

Коэффициент теплоотдачи для первого витка змеевика

Коэффициент теплоотдачи для второго витка змеевика

Среднее значение коэффициента теплоотдачи для всего змеевика

где z - число витков змеевика.

Поскольку z неизвестно, то принимается  по соотношению (20).

. Определяется коэффициент теплоотдачи от жидкого металла к змеевику  [2] с.330.

Значение физических параметров выбираются по из табл.1. [8]

Поправка на кривизну змеевика [2] с.92.

 (24)

. Определяется суммарное тепловое сопротивление

где  - коэффициент теплопроводности материала змеевика.

В качестве материала трубки змеевика используются аустенитные хромоникелевые стали типа 1Х18Н9Т и др. Теплопроводность в интервале температур 100-700 изменяется в пределах . Температурная зависимость  может приниматься линейной. Ориентировочно (с погрешностью 10-15%) теплопроводность сталей аустенитного класса может быть определена по формуле [6] с.390.

Пределы применимости формулы для сталей аустенитного класса при  

Практически , поэтому температура стенки змеевика близка к температуре расплава. В формуле (25) величину  следует принимать при средней температуре расплава (п.3).

.Определяется длина трубки змеевика

. Выбирается шаг S между витками змеевика

14. Определяется окончательное значение коэффициента теплоотдачи

Погрешность

Цель гидравлического расчета - определение необратимой потери давления воздушного потока, проходящего через аппарат.

Полное сопротивление аппарата складывается из местных потерь, обусловленных загромождением поперечного сечения кожуха змеевиком и барабаном и сопротивлением трения, возникающего при течении в длинных каналах.

. Потеря давления в общем виде определяется соотношением:

Индекс «1» относится к условиям входа потока в кожух. Величина  складывается из коэффициентов местного сопротивления для барабана и змеевика

В уравнении (1)  - скорость набегающего потока в основном канале. Для данной схемы теплообменника величина определяется по максимальной площади канала

;

определяется по условиям входа:

. Определение .

При наличии в одном сечении трубы нескольких тел (комплект тел, в общем случае - разных форм и размеров) суммарный коэффициент местного сопротивления этих тел подсчитывается по формуле, полученной И.Е. Идельчиком [6].

Где y - расстояние центра тяжести тела от оси канала;

 - площадь и диаметр наружного канала;

 - площадь миделевого сечения тел, находящихся в канале;

 - коэффициент лобового сопротивления тела, зависящий от формы тела, числа Re и других параметров.

Определяется из справочных данных

где  - сила лобового сопротивления;

 - площадь миделевого сечения тел, находящихся в канале;

k - коэффициент, учитывающий неравномерность скоростного поля. Является функцией числа Re канала.

Определяется из справочных таблиц [6], с. 343.

В таблице 1 где  - м/с - скорость, отнесенная к полной площади канала

Для случая осесимметричной системы (рисунок 1)

 - коэффициент сопротивления одного витка змеевика.

На основе литературных данных применительно к условиям проектирования данной конструкции величина  может быть выбрана в пределах  В данных расчетах принимаем

. Определение.

Величина определяется соотношением

Величина определяется на основе опытных данных по результатам продувки труб с различной шероховатостью и зависит от числа

Условно считая проточную часть гладкой, величину можно определить на основе закона Флазиуса (в пределах )

Вычислим, соответствующее значение k=1,23; тогда

По результатам расчета строится график и для заданного  определяются искомые значения

3. Расчет тепловых потерь на участке подводящего трубопровода

На участке между подогревателем и теплообменником тепловая изоляция осуществлена за счет воздушной прослойки между внешним кожухом и центральным трубопроводом (рисунок 1). Определение тепловых потерь  в этом случае затруднительно, так как термическое сопротивление подобной системы зависит от температур внутренней и внешней стенки, величина которых заведомо неизвестна. Поэтому задачу необходимо решать методом последовательных приближений.

С этой целью, прежде всего, выбираются конструктивные размеры трубопровода.

.        Величина  определяется по уравнению расхода, принимая скорость движения воздуха заданной

 - [кг] плотность горячего воздуха, определяется по параметрам на входе в теплообменник.

Из (1) следует .

Толщина стенок трубопровода - выбирается в пределах . Принимаем Значения диаметров

В первом (и достаточно точном) приближении можно принять, что температура внутренней стенки (высокая скорость движения и соответственно достаточно высокое значение коэффициента теплоотдачи ).

.        В качестве неизвестной величины, определяющей тепловые потери, принимается температура внешней стенки .

При соблюдении условия (2) с возрастанием  тепловой поток  от внутренней стенки к внешней - убывает, а тепловой поток от внешней стенки  в окружающую среду возрастает.

Задаваясь рядом значений , вычисляя  и  и откладывая графически зависимости  в точке пересечения графиков  определяются равновесная температура внешней стенки и величина тепловых потерь.

.        Расчет

Где полное термическое сопротивление между воздухом во внутренней трубе и внешней поверхностью наружной трубы складывается из четырех элементов:

 - коэффициент теплоотдачи от воздуха во внутренней трубе к поверхности на диаметре  .

коэффициент теплопроводности материала стенок (хромоникелевая сталь) принимается при температурах  и ;

 - эквивалентный коэффициент теплопроводности кольцевой воздушной прослойки, учитывающий перенос тепла путем теплопроводности и конвекцией в ограниченном пространстве.

Величина  определяется из отношения

где физические параметры воздуха отнесены к температуре.

Величина  определяется соотношением [2], с. 79:

 - коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре в воздушной прослойке

 - поправочный множитель, учитывающий влияние конвекции на перенос тепла в кольцевой прослойке.

Определяется соотношением:

Физические величины, входящие в состав уравнения (8), принимаются при средней температуре воздуха по соотношению (7).

Величина  определяется как тепло, отдаваемое внешней поверхностью (на диаметре ) в окружающую среду путем естественной конвекции:

Величина  определяется из критериального соотношения [2], с.73 (табл. 4).

Индекс «m» указывает, что физические параметры, входящие в состав критериев, берутся при средней температуре

Развернутое выражение для критерия Gr имеет вид

 - кинематическая вязкость воздуха при температуре

.        Вычислив величины  и  при нескольких значениях  (34), строится график (рисунок 2) и определяется равновесная  потерь. Найденные величины являются первым приближением. Погрешность расчета не превышает 5-10%, поэтому дальнейшие уточнения не проводятся. Поэтому более правильно было бы задаться несколькими значениями  с целью подбора оптимальной толщины воздушной прослойки. В силу трудоемкости расчетов в курсовой работе расчет производится только для заданного

6.      Определяется значение температуры воздуха на выходе из электронагревателя, необходимое для получения заданного значения.

Заключение

В данной курсовой работе был проведен тепловой и гидравлический расчет теплообменного аппарата змеевикового типа для подогрева жидкого металла. В результате расчета были определены размеры теплообменного аппарата: внутренний и наружный диаметры змеевика  и ; диаметр барабана ; диаметр змеевика ; минимальный размер кожуха, при котором потеря давления в теплообменном аппарате не превышает заданного значения ,

Была рассчитана тепловая изоляция подводящего трубопровода, выполненная в виде воздушной прослойки, заключенной между поверхностями подводящего и изоляционного трубопроводов . По данной толщине тепловой изоляции вычислена температура воздуха на выходе из электронагревателя, необходимая для получения заданного значения , .

металл трубопровод давление температурный

Список использованных источников

1.      Под ред. В.К. Кошкина. Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике.

.        Михеев М.А. Основы теплопередачи. М., «Энергия», 1977, с. 343.

.        Петунин В.В. Теплоэнергетика ядерных установок. М., Атомиздат, 1960.

.        Воскресенский К.Д. Сборник расчетов и задач по теплопередаче. М., Госэнергоиздат, 1959.

.        Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М., Госэнергоиздат, 1959.

.        Идельчие И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., Госэнергоиздат, 1960.

.        Исаченко В.П. Теплопередача. М., «Энергия», 1963, с. 439.

.        Огородников Н.Н., Довгялло А.И. Расчет спирального теплообменника для подогрева жидкого металла. Куйбышев, КуАИ, 1979.

Приложение

Рисунок 1 - схема теплообменного аппарата

Рисунок 2 - графики Q1 и Q2

Таблица 1 - Таблица значений Q1 и Q2