31932

Проектний тепловий розрахунок рекуперативного теплообмінника

Курсовая

Энергетика

Мета розрахунку Основною метою розрахунку теплообмінників є визначення поверхні теплообміну F а також основних розмірів апарата. Отже для визначення теплової поверхні необхідно розрахувати коефіцієнт теплопередачі k а також середній температурний напір 3. Визначення теплового навантаження апарата та масової витрати гарячого теплоносія 4. Визначення кількості трубок в теплообмінному апараті 5.

Украинкский

2013-09-01

585 KB

22 чел.

(1)

(2)

вода

Рис.3. Схема процесу

теплопередачі.

Суха насичена пара

(3)

(4)

(6)

(5)

(7)

(8)

Міністерство освіти і науки України

Національний технічний університет України

«Київський політехнічний інститут»

Кафедра теоретичної та промислової теплотехніки

Проектний тепловий розрахунок рекуперативного теплообмінника

Пояснювальна записка до курсової роботи з дисципліни

«Тепломасообмін»

ТП 51 350 00 12 ПЗ

Виконав:

студент III курсу ТЕФ

групи ТП-51

Божко І.К.

2007


ЗМІСТ

   


Завдання

У вертикальному трубчастому теплообмінному апараті підігрівається вода, масова витрата якої складає m2=20кг/с. Температура води змінюється від t2=30ºС до t2=80ºС за рахунок теплоти конденсації сухої насиченої водяної пари тиском P=143кПа. Вода, що нагрівається, протікає усередині латунних трубок діаметром dзовн/dвнут=19мм/17,5мм. Орієнтовна висота трубок H=3,2м. Швидкість руху води W=1,2м/с. Водяна пара подається у між трубний простір. Визначити необхідну площу поверхні нагрівання, а також витрату граючої водяної пари.

№ вар

m2,

кг/с

t2¢

0С

t2²

0С

Dзовн/dвн

мм/мм

W2

м/с

P,

105Па

H,

м

Схема руху теплоносіїв

1-2

20

30

80

19/17,5

1,2

1,43

3,2

прямоточна


1. Опис теплообмінного апарата

Теплообмінний апарат – це пристрій, що призначено для передачі теплоти від одного теплоносія до іншого. Теплоносій з більшою температурою умовно називають гарячим теплоносієм, а з меншою – відповідно холодним теплоносієм.

За методом передачі теплоти теплообмінні апарати поділяються на поверхневі та контактні. Поверхневі мають теплообмінну поверхню, а у контактних апаратах теплообмін відбувається при змішуванні теплоносіїв.

У свою чергу поверхневі теплообмінні апарати поділяються на рекуперативні та регенеративні.

У регенеративних апаратах теплообмін відбувається за участю “насадки” – теплоакумулюючої маси твердого тіла, яка у процесі нагрівання акумулює теплоту, віддаючи її потім холодному теплоносію.

Рекуперативні теплообмінні апарати – це пристрої, в яких теплоносії розділені поверхнею теплообміну. Розміщення апарата у загальному випадку може бути як горизонтальним так і вертикальним. Розглянемо на прикладі теплообмінник, що являється вертикальним двоходовим пароводяним трубчастим теплообмінником з плаваючою голівкою закритого типу, який показаний на рис.1.

Рис. 1. Трубчатка двоходового теплообмінника

з плаваючою голівкою закритого типу


Розглянемо конструкцію даного теплообмінника.

У корпусі 1 розміщується трубчатка 2 с нерухомою решіткою 3 та рухомою решіткою 4, що з’єднує трубки 5. Апарат має сферичну відбортовану кришку 6, а рухома решітка має кришку 7. Кожух поєднується з кришками фланцями 8; для з’єднання рухомої решітки с голівкою використовується рознімний фланець 9.

В залежності від розміру діаметра кожуха D обирають розміри  діаметрів кришки D1 та D2, висота кришки Н1 та H2, а також виліт трубчатки H3. Ця конструкція апарата призначена для умовних тисків робочих середовищ до 16 кг/см2.

Теплоносіями являються: пар – гарячий теплоносій, вода – холодний теплоносій. Пар через патрубок подається до між трубного простору, вода протікає по трубному пучку, який складається з n-ої кількості труб.

Схема теплообміну у даному апараті наступна: суха насичена пара з тиском Р1 та витратою m1 надходить до  між трубного простору в корпусі теплообмінника, де конденсується на поверхні вертикально розміщених латунних трубках висотою Н, зібраних у трубний пучок. За рахунок теплоти конденсації в трубках  відбувається процес нагрівання води, масова витрата якої m2.


2. Мета розрахунку

Основною метою розрахунку теплообмінників є визначення поверхні теплообміну F а також основних розмірів апарата.

Враховуючи те, що , поверхню теплообміну можна визначити за допомогою рівняння теплопередачі для плоскої стінки. Отже маємо: , звідки

,

де  - теплове навантаження;

- коефіцієнт теплопередачі;

- середній температурний напір.

Теплове навантаження апарата знайдемо з рівняння теплового балансу:

,

де   - масові витрати гарячого та холодного теплоносіїв відповідно;

 - питома теплота пароутворення;

 - питома ізобарна теплоємність води;

  - температури на вході та виході холодного теплоносія.

 

Отже, для визначення теплової поверхні необхідно розрахувати коефіцієнт теплопередачі k а також середній температурний напір


3. Середній температурний напір по поверхні теплообмінника

3.1) Зміна температур теплоносіїв уздовж поверхні теплообміну показано нижче на рис.2.

Рис.2. Зміна температур теплоносіїв в теплообміннику.

3.2) Відповідно до рис.2:

У процесі конденсації температура сухої насиченої пари – постійна і визначається як температура насичення при даному тиску по відповідній таблиці.

    [1]

Таким чином: , .

Середня різниця температур дорівнює:

3.3) Так як температура гарячого теплоносія у процесі конденсації не змінюється, то середня температура холодного теплоносія дорівнює:

Температури  і  використовується при визначенні теплофізичних властивостей відповідно гарячого і холодного теплоносіїв.


4. Визначення теплового навантаження апарата та масової витрати гарячого теплоносія

4.1) Для розрахунку теплового навантаження використаємо праву частину рівняння теплового балансу для заданого процесу. Відповідно з рівнянням (2) маємо:

.

Питому ізобарну теплоємність  визначаємо по температурі .   [1].

4.2) Масову витрату гарячого теплоносія знайдемо за допомогою лівої частини рівняння теплового балансу (2):

Питому теплоємність  визначаємо по температурі насичення при заданому тиску пари . ,  [1].

5. Визначення кількості трубок в теплообмінному апараті

5.1) Знайдемо площу поперечного перерізу однієї трубки:

.

5.2) Знайдемо повну площу перерізу за допомогою рівняння суцільності:

,    .

5.3) Отже, загальна кількість трубок складає:

.

5.4) Перерахуємо значення швидкості руху води

Приближене значення загальної кількості трубок незначно впливає на швидкість руху холодного теплоносія, отже далі будемо вважати, що швидкість залишилась незмінною


6. Аналіз процесу теплопередачі в теплообміннику

Схема процесу теплопередачі показана на рис.3.

Теплопередача – це складний процес, що складається з трьох процесів: тепловіддача зі сторони гарячого теплоносія(пари) до стінки труб теплообмінника, теплопровідність у стінках труб, тепловіддача від стінки труб до потоку холодного теплоносія(води).

На рисунку позначено:

- коефіцієнт тепловіддачі від сухої насиченої пари до стінки;

  -   коефіцієнт тепловіддачі від стінки до потоку води.

визначаються за допомогою емпіричних рівнянь подібності для тепловіддачі в умовах плівкової конденсації на зовнішніх стінках труб сухої насиченої пари та вимушеного руху рідини у трубах відповідно.

Маючи значення коефіцієнтів тепловіддачі, визначаємо коефіцієнт теплопередачі за рівнянням:

,

де  - товщина стінки трубки;

 - коефіцієнт теплопровідності матеріалу стінки.


7. Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі

7.1) Розглянемо спочатку процес плівкової конденсації сухої насиченої пари на зовнішній поверхні труб. Необхідно визначити режим стікання конденсатної плівки. Для цього потрібно розрахувати комплекс Z.

,

де k – критерій фазового переходу;

 Ga – критерій Галілея;

 Pr – критерій Прандтля.

,

, де

По температурі насичення  знаходимо наступні теплофізичні параметри [1]:

Приймаємо, що температура стінки дорівнює:

Тоді:

;

.

7.2) Так як отримане значення Z більше за , то звідси слідує, що режим стікання конденсатної плівки являється змішаним. Тепловіддача у такому випадку розраховується по наступному емпіричному рівнянню подібності:

По температурі  визначаємо: [1].

.

Отримане значення числа Рейнольдса більше за , що не суперечить отриманому вище результату для комплексу Z.

7.3) Обчислюємо коефіцієнт тепловіддачі:

7.4) Розглянемо процес вимушеного руху води в трубах.

Враховуючи те, що при  коефіцієнт кінематичної в’язкості води  [1], число Рейнольдса для потоку води обчислимо наступним чином:

.

Так як , маємо розвинутий турбулентний режим течії потоку води, для якого коефіцієнт тепловіддачі визначається за допомогою емпіричного рівняння подібності:

7.5) Обчислюємо коефіцієнт тепловіддачі .

По температурі  знаходимо наступні теплофізичні параметри [1]:

Приймаємо, що , отже:  .

Обчислюємо число Нусельта:

.

Зауважимо, що поправка .

Таким чином, коефіцієнт тепловіддачі  дорівнює:

.

8. Теплообмінна поверхня апарата

8.1) Обчислюємо товщину стінки трубки теплообмінника:

8.2) Приймаємо коефіцієнт теплопровідності стінки латунної трубки:

8.3) Коефіцієнт теплопередачі у відповідності з рівнянням (3):

.

8.4) Щільність теплового потоку на стінці:

8.5) Перевіряємо значення температур :

8.6) Уточнюємо результати розрахунків:

При

При

Уточнене значення критерію фазового переходу k:

.

Уточнене значення комплексу :

.

Уточнене значення числа Рейнольдса :

.

Уточнене значення коефіцієнта тепловіддачі :

Уточнене значення поправки на напрямок теплового потоку:

.

Уточнене значення числа Нусельта :

.

Уточнене значення коефіцієнта тепловіддачі :

.

Уточнене значення коефіцієнта теплопередачі k:

.

Уточнене значення щільності теплового потоку:

Уточнені значення температур :

Останні значення температур  суттєво відрізняються від отриманих у пункті 8.5. Отже необхідно повторити уточнення результатів.

8.7) Повторне уточнення результатів розрахунку:

При

При

Уточнене значення критерію фазового переходу k:

.

Уточнене значення комплексу :

.

Уточнене значення числа Рейнольдса :

.

Уточнене значення коефіцієнта тепловіддачі :

Уточнене значення поправки на напрямок теплового потоку:

.

Уточнене значення числа Нусельта :

.

Уточнене значення коефіцієнта тепловіддачі :

.

Уточнене значення коефіцієнта теплопередачі k:

.

Уточнене значення щільності теплового потоку:

Уточнені значення температур :

                                

Останні значення температур  не суттєво відрізняються від отриманих у пункті 8.5.

8.8) Таким чином, остаточно коефіцієнт теплопередачі: .

Поверхня теплообміну у відповідності з формулою (1):

.

8.9) Знаходимо розрахункову висоту теплообмінної трубки апарата:

.

Отримане значення розрахункової висоти більше ніж орієнтоване (). Тому доцільно спроектувати 2-ходовий теплообмінник ( так як ). Його опис можна знайти у п.1 “Опис теплообмінного апарата”.

9. Геометрична конфігурація розміщення трубок у теплообміннику

Розміщуємо трубний пучок по вершинах правильного шестикутника.

9.1) Крок розташування трубок:

9.2) Зазор між трубним пучком і зварною трубкою:

9.3) Кількість трубок на діагоналі найбільшого шестикутника:

9.4) Кількість трубок на стороні найбільшого шестикутника:

9.5) Внутрішній діаметр корпусу теплообмінного апарату:


Висновок

В ході даної курсової роботи був проведений проектний тепловий розрахунок рекуперативного паро-рідинного теплообмінного апарату. Остаточно були розраховані наступні величини: масова витрата гарячого теплоносія: m1=1,87кг/с, та площа поверхні нагрівання, яка дорівнює F=27,89м2. Орієнтована висота трубного пучка складала H=3,2м. В процесі розрахунку ця величина не змінилася.


Список літератури

  1.  Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. «Задачник по теплопередаче» - М.:Энергия, 1980г. – 287с.
  2.  Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. «Теплопередача» - М.:Энергия, 1981г. – 417с.
  3.  Бажан Г.И. «Справочник по теплообменным аппаратам» - М.:Машиностроение, 1989г.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

57611. Історія як навчальний предмет і наука 569 KB
  Мета: створити початкове уявлення про історію як навчальний предмет і науку; зацікавити новим навчальним предметом; ознайомити школярів з видатними вченимиісторіками України...
57612. Україна в роки правління гетьмана Івана Виговського 76 KB
  Хмельницького визначити основні засади внутрішньої і зовнішньої політики гетьмана Івана Виговського; розвивати в учнів уміння працювати з картою аналізувати текстові та візуальні історичні джерела і на основі їх робити певні висновки...
57613. Велика Вітчизняна війна (1941-1945 рр.) – складова Другої світової війни 54.5 KB
  Мета: познайомити учнів з подіями Великої Вітчизняної війни політикою загарбників на окупованих українських територіях діяльністю руху Опору на території України; вдосконалювати навички роботи з картою...
57614. ВЕРБАЛІЗАЦІЯ СТРАХУ В СУЧАСНІЙ АНГЛІЙСЬКІЙ МОВІ 322.5 KB
  Мовні засоби вираження емоції страху, а також об’єкти, які викликають у людини цю емоцію. Новизна та вибір предмета дослідження обумовлюються відсутністю детального аналізу мовних засобів, які використовуються автором у художньому тексті для вираження мовлення персонажів, які перебувають у стані страху.
57615. КИРИЛЛО – МЕФОДИЕВСКОЕ БРАТСТВО 80.5 KB
  Цели урока: ознакомить учащихся с деятельностью первой украинской политической нелегальной организацией - Кирилло-Мефодиевским братством; провести исследование программных документов и общественно-политической деятельности Кирилло-Мефодиевского братства...
57616. Галицко-Волынское княжество во времена Даниила Галицкого 85.5 KB
  ЦЕЛЬ: сформировать представление о Галицко-Волынском княжестве как наследнике традиций Киевской Руси показать роль Даниила Галицкого в процессе создания государства охарактеризовать основы внутренний и внешней политики...
57617. Державотворчі процеси у 1994-2009 р 138.5 KB
  Мета: розкрити зміст перетворень в 1994-2009 р., сформувати політичну позицію щодо оцінки президентства Л.Д.Кучми, В.А.Ющенка, діяльності Верховної Ради, Кабінету Міністрів; перемогу демократичних сил,радикальні зміни у суспільстві; виховувати в дусі патріотизму, толерантності.
57618. Географічні назви в історичній науці. Давні словяни 42.5 KB
  При дослідженні минувщини вчені часто знаходять різні назви. Інші з цих назв назви народів вони називаються етнонімами. Вчення про географічні назви іменується топонімією від грецьких слів топос...
57619. КООПЕРАЦІЯ, КОЛЕКТИВІ3АЦІЯ, ГОЛОДОМОР В УКРАІНІ У 1932-33 РОКАХ 247.09 KB
  Мета - розкрити причини та наслідки політики радянського уряду щодо селянства в України у 20—их поч.30-их років; познайомити з фотодокументами, спогадами очевидців, що підтверджують існування голодомору в Україні у 1932-33 роках...