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

31 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

81810. Этика науки и ответственность учёного. Нормы научной деятельности и расширение этоса науки 43.55 KB
  Нормы научной деятельности и расширение этоса науки. В процессе вершения науки этически оцениваемые объекты производят этически оцениваемые деяния и тогда деяния порождают этически оцениваемые отношения а объекты становятся субъектами этих отношений. Римскими цифрами обозначены классы отношений: I личные отношения ученых; II заочные отношения ученых внутри мира науки; III отношения между миром науки с одной стороны и человечеством и природой с другой.
81811. Сциентизм и антисциетизм. Наука и паранаука 34.61 KB
  Эйнштейн ищут основания знания в философии и художественной литературе. Анти-фундаменталистская тенденция просматривается в истолковании всех важнейших областей научного познания: математического естественнонаучного гуманитарного. В то время как сциентизм базируется на абсолютизации рациональнотеоретических компонентов знания антисциентизм опирается на ключевую роль этических правовых культурных ценностей по отношению к идеалу научности. Следует отметить направление теории познания имеющее долгую историю в котором акцент делается на...
81812. Наука как социокультурный феномен. Становление науки как социального института 38.59 KB
  Становление науки как социального института. Именно деятельностное понимание науки особо отмечал В. Вернадский: Ее содержание не ограничивается научными теориями гипотезами моделями создаваемой ими картиной мира в основе она главным образом состоит из научных фактов и их эмпирических обобщений и главным живым содержанием является в ней научная работа живых людей Во втором истолковании когда наука выступает как система знаний отвечающих критериям объективности адекватности истинности научное знание пытается обеспечить себе...
81813. Историческое развитие институциональных форм научной деятельности. Научные сообщества и их исторические типы 37.76 KB
  Возникновение науки как социального института связывают с кардинальными изменениями в общественном строе и в частности с эпохой буржуазных революций которая дала мощный толчок развитию промышленности торговли строительству горному делу мореплаванию. Способы организации и взаимодействия ученых менялись на протяжении всего исторического развития науки. Само существование науки в качестве социального института говорило о том что в системе общественного разделения труда она должна выполнять специфические функции а именно отвечать за...
81814. Наука и экономика. Наука и власть.Проблема государственного регулирования науки 28.08 KB
  Проблема государственного регулирования науки. Отношения науки и экономики всегда представляли собой большую проблему. Традиционное представление о том что технология является неотъемлемым приложением науки сталкивается с эмпирическими и практическими возражениями. Однако если прикладные науки обслуживая производство могут надеяться на долю в распределении его финансовых ресурсов то фундаментальные науки напрямую связаны с объемом бюджетного финансирования и наличием тех планов и программ которые утверждены государственными структурами.
81815. Поиск нового типа цивилизационного развития и новые функции науки в культуре 42.75 KB
  Наука действительно являет собой сложный полиструктурный организм целый мир в недрах которого бушуют познавательные страсти схлестываются несовместимые точки зрения ведется кропотливая экспериментаторская и теоретическая работа. Наука обладает способностью поглощать своих субъектов делать их фанатиками исследования. Однако на самом деле наука лишь один из видов человеческой соотнесенности с миром возникший исторически довольно поздно и выполняющий в жизни общества совершенно конкретные функции. Коренное различие состояло в том что...
81816. Роль науки в преодолении глобальных проблем современности 27.77 KB
  Ученые во всеуслышание заявляют о глобальных проблемах современности к которым относят проблемы охватывающие систему мир человек в целом и которые отражают жизненно важные факторы человеческого существования. Глобальные проблемы имеют не локальный а всеохватывающий планетарный характер. К глобальным проблемам современности относят экологические демографические проблемы войны и мира проблемы кризиса культуры. В силу этого глобальные проблемы должны решаться комплексно координированно усилиями всего мирового сообщества.
81817. Предмет современной философии науки 31.34 KB
  Создавая образ философии науки следует четко определить о чем идет речь: о философии науки как направлении западной и отечественной философии или же о философии науки как о философской дисциплине наряду с философией истории логикой методологией культурологией исследующих свой срез рефлексивного отношения мышления к бытию в данном случае к бытию науки. Философия науки как направление современной философии представлена множеством оригинальных концепций предлагающих ту или иную модель развития науки и эпистемологии. Она сосредоточена на...
81818. Понятие науки. Основные аспекты бытия науки 34.37 KB
  Наука как социальный институт или форма общественного сознания связанная с производством научнотеоретического знания представляет собой определенную систему взаимосвязей между научными организациями членами научного сообщества систему норм и ценностей. Они участвуют в разнообразных формах научного общения дискуссии конференции издания монографии учебники читают лекции и т. Выделим самые характерные черты научного знания. Еще Кант в качестве неотъемлемой черты науки отмечал систематичность научного знания: именно этим как он...