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

30 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

22634. Рух в’язкої рідини. Число Рейнольдса 39.5 KB
  Рух вязкої рідини. Розглянемо стаціонарну течію вязкої рідини в прямій горизонтальній трубі з постійним перерізом. Модуль сили внутрішнього тертя що прикладена до площини S яка лежить на границі між шарами:; або оскільки вісь z напрямлена вздовж радіусу η коефіцієнт вязкості залежить від природи і стану рідини. Виділимо з обєму рідини що тече циліндр радіусу r довжини l та запишемо умови його руху.
22635. Принцип найменшої дії та рівняння Лагранжа 80.5 KB
  Принцип найменшої дії та рівняння Лагранжа. функцією Лагранжа системи. Ці рівняння називаються рівняннями Лагранжа. Властивості функції Лагранжа: Якщо домножити функцію Лагранжа на деяку константу вигляд рівнянь руху не зміниться; Якщо система складається з двох не взаємодіючих частин A і B з функціями Лагранжа та то система описується функцією Лагранжа .
22636. Гамільтонова форма рівнянь руху класичної механіки 75.5 KB
  Тут величина являє собою енергію системи що виражена через координати і імпульси і називається функцією Гамільтона системи. Ці шукані рівняння в змінних і називаються рівняннями Гамільтона. Розглянемо повну похідну фції Гамільтона по часу . Підставимо сюди та з рівнянь Гамільтона.
22637. Основні положення і головні результати спеціальної теорії відносності 77 KB
  Ейнштейн побудував спеціальну теорію відносності на постулатах: фізичні закони формулюються однаково в усіх інерціальних системах відліку ІСВ; швидкість світла у вакуумі не залежить від руху джерела і є однаковою в усіх ІСВ. Якщо простір ізотропний і однорідний то виконується рівність де константа залежить від швидкості ІСВ. Для нерухомої другої ІСВ . Для оберненого перетворення перехід до першої ІСВ: .
22638. Основні закони термодинаміки. Статистичне означення ентропії 74.5 KB
  Функція що звязує тиск обєм і температуру фізично однорідної системи яка перебуває в термодинамічній рівновазі називається рівнянням стану. Другий закон ТД Не існує періодично діючого пристрою що виконував би роботу лише за рахунок відбору теплоти від одного і того ж джерела існує однозначна функція стану системи яка залишається постійною при адіабатичних процесах S. При рівноважних процессах зміна ентропії системи пов`язана з кількістю тепла що передається співвідношенням : Для адіабатичного циклічного процесу і тобто ...
22639. Розподіл Максвела та Больцмана. Їх експериментальна перевірка 121 KB
  Розподіл Максвела та Больцмана. Використаймо великий канонічний розподіл Гіббса де . Тобто можна відокремити де розподіл по швидкостям а розподіл по координатах. Розглянемо розподіл молекул по швидкостям.
22640. Міжмолекулярна взаємодія та її прояви 49.5 KB
  Міжмолекулярна взаємодія та її прояви. Міжмолекулярна взаємодія це взаємодія електричнонейтральних молекул або атомів. Взаємодія молекул визначається потенціалом взаємодії для сферично симетричних молекул. На великих відстанях визначальною є слабка взаємодія.
22641. Р-ня стану реальних газів 97 KB
  Рня ВандерВаальса де а константа взаємодії b поправка на обєм. Для реальних газів застосовується наближення : Газ досить розріджений використовуємо тільки парну взаємодію; Молекули рухаються згідно з законом класичної механіки; Зіткнення між молекулами пружне; Сили взаємодії центральні діють між центрами молекул тому використовуємо сферично симетричний потенціал. радіуса взаємодії де одна молекула відчуває іншу. область взаємодії.
22642. Явища переносу в газах, рідинах і твердих тілах 44.5 KB
  Явища переносу в газах рідинах і твердих тілах Якщо виникає grad якоїсь величини G енергія імпульс конц. заряд то виникає потік JG направлений на зменшення цього grad. Оскільки температура газу вирівнюється повільно теплопровідність газу мала gradT  0. Дифузія вирівнювання концентрації домішки переміщення молекул домішки в напрямку меншої концентрації відбувається перенесенням маси домішаного газу  = const gradn = const.