Расчет спирального теплообменника для подогрева жидкого металла

  • Вид работы:
    Контрольная работа
  • Предмет:
    Физика
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    415,23 Кб
  • Опубликовано:
    2015-11-17
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

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 Dк 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

tc2, С

Q2, Дж

Q1, Дж

20

57704,60155

0

30

56711,06392

1827,738355

40

55717,86455

4111,207116

50

54724,95155

6556,536391

60

53732,27502

9089,562539

70

52739,78819

11676,04187

80

51747,44808

14297,71151

90

50755,21584

16944,3421

130

46786,72989

27702,99466

140

45794,59159

30432,05669

150

44802,40588

33178,72389

43810,15641

35944,81848

170

42817,82852

38732,4535

180

41825,40896

41543,9596

190

40832,88559

44381,83563

200

39840,24728

47248,71564

210

38847,48372

50147,34729

220

37854,58537

53080,57832

230

36861,54343

56051,34856

280

31893,92467

71577,33141

290

30899,87944

74840,01119

300

29905,65122

78163,30674

310

28911,23789

81550,89612

320

27916,63821

85006,56153

330

26921,8518

88534,19201

340

25926,8791

92137,78575

350

24931,72125

95821,45202

370

22940,85799

103446,0033

400

19953,23681

115592,6239

410

18957,02322

119849,3737

440

15977,70183

133311,8913

450

14980,08788

138047,2251

460

13982,33448

142915,2719

490

10988,27442

158370,4732

500

9989,998161

510

8991,597741

169439,5493

520

7993,074562

175221,1321

530

6994,429158

181175,3073

540

5995,660933

187308,0821

550

4996,767754

193625,5251

560

3997,745251

200133,7601

570

2998,585468

206838,9601

580

1999,273853

213747,3401


Похожие работы на - Расчет спирального теплообменника для подогрева жидкого металла

 

Не нашли материал для своей работы?
Поможем написать уникальную работу
Без плагиата!