Учебная работа. Расчет теплообменных аппаратов

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...

Расчет теплообменных аппаратов

государственный
комитет российской федерации по рыболовству

Федеральное
государственное образовательное учреждение высшего профессионального
образования

"Мурманский
государственный технический университет"

Расчетно-графическое
задание

по дисциплине "Теоретические
основы теплотехники"

"Расчет
теплообменных аппаратов"

Выполнила:

студентка группы ВЭП-371.01.

Донцова Ю.Г.

Проверил:

Шорников В.П.

Мурманск

2010

Содержание

Вариант
задания

Задание

1. Расчет пароводяного подогревателя

2. Расчет секционного водоводяного подогревателя

3. Расчетные данные пароводяного и секционного водоводяного
теплообменников

4. Учебно-исследовательский раздел

5. Подбор критериальных уравнений для имеющих место
случаев теплообмена т.о. аппаратах. Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи

список
литературы


Вариант
задания для курсового проекта

Вариант ( номер по журналу)

Производительность Q *10-6

Вт

(ккал/час)

Температура нагреваемой воды при входе в подогреватель
t2/ 0С

температура сетевой воды при входе в водоводяной
подогреватель t1/ °C

давление сухого насыщенного водяного пара р ат

Толщина загрязнения dз мм

Коэфф теплопроводности загрязнения lз

2

0.465 (0.4)

70

140

4.0

0.4

1.2


Задание

Произвести тепловой и конструктивный расчет
отопительного пароводяного подогревателя горизонтального типа и секционного
водоводяного подогревателя производительностью . температура нагреваемой воды при входе в подогреватель
 и при выходе . температура сетевой воды при входе в водоводяной
подогреватель  и при выходе .

Прим. влияние загрязнения поверхности нагрева
подогревателя и снижение коэффициента теплопередачи при низких температурах
воды учесть понижающим коэффициентом b=0,65.

Для расчета пароводяного подогревателя приняты следующие
дополнительные данные: давление сухого насыщенного водяного пара  (); температура конденсата, выходящего из подогревателя, , число ходов воды ; поверхность нагрева выполнена из латунных труб  ) диаметрами
, . Загрязнение поверхности учесть дополнительным тепловым
сопротивлением . (в примере
расчета dз/lз= 0,00015 м2 • ч • град/ккал 0.000129 м2 •град/Вт).

В обоих вариантах скорость воды  (в трубках) принять по возможности близкой к 0,9 м/с.

Для упрощения расчета принять .

На основе расчетов выбрать аппараты, выпускаемые
серийно, и сделать сопоставление полученных результатов.


1. Расчет
пароводяного подогревателя

Расход воды определяем по формуле:

где теплоемкость воды "с" по справочнику или
упрощенно

,

().

или V= 16 м3/час.

Число трубок в одном ходе

где  — внутренний диаметр теплообменных труб.

и всего в корпусе


Рис. 1.Размещение трубок в трубной решетке трубчатого
подогревателя.

а – по вершинам равносторонних треугольников;

б – по
концентрическим окружностям.

Принимая шаг трубок , угол между осями трубной системы  и коэффициент использования трубной решетки , определяем диаметр корпуса:

Определяем также диаметр корпуса по табл. 1–35 и рис. 1
при ромбическом размещении трубок.

Для числа трубок находим в табл. 1-35 Диаметр корпуса составит (рис 1):


где dН – наружный диаметр трубки,

k
– "зазор" между периферийной трубкой и диаметром корпуса (рис. 1) .

Приведенное число трубок в вертикальном ряду:

Определяем коэффициент теплоотдачи  от пара к стенке. Температурный напор:

Средние температуры воды и стенки (для стенки значение
температуры ориентировочное, впоследствии она будет пересчитана и уточнена при
необходимости):

Режим течения пленки конденсата определяем по
приведенной длине трубки (критерий Григулля) для горизонтального подогревателя,
равной:

где m — приведенное число трубок в вертикальном ряду, шт.;  — наружный диаметр трубок, м;


  — температурный множитель, определения
коэффициентов теплоотдачи.

При  имеем , тогда

,7

что меньше величины Lкр=3900 (для
горизонтальных труб), следовательно, режим течения пленки ламинарный.

Для этого режима коэффициент теплоотдачи от пара к
стенке на горизонтальных трубках может быть определен по преобразованной
формуле Д. А. Лабунцова:

.

При  по таблице находим множитель  тогда

Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки к воде.
Режим течения воды в трубках турбулентный, так как Re для ламинарного
потока должен быть ≤ 2300.


где коэффициент кинематической вязкости воды (по
справочнику, табл. стр.44)

, при средней
температуре воды t=83,4° С.

Коэффициент теплоотдачи три турбулентном движении воды
внутри трубок

где множитель  при t=83,4° С по таблице; в данном случае

Расчетный коэффициент теплопередачи (с учетом
дополнительного теплового сопротивления dз/lз)
определяем по формуле для плоской стенки , так как ее
толщина меньше 2,5 мм:

Уточненное

Поскольку уточненное предварительного расчета, то пересчета величины aп не производим (в0 противном случае если отличие в
данных температурах более 3% необходимо производить пересчет методом
последовательных приближений до достижения данной точности).

 — уравнение теплопередачи
через плоскую стенку, отсюда расчетная поверхность нагрева:

Q —
производительность, Вт; К — коэффицент теплопередачи, ;

Δt – температурный напор, ˚С;

Ориентируясь на полученную величину поверхности нагрева
и на заданный в условии диаметр латунных трубок d=14/16 мм, выбираем
пароводяной подогреватель горизонтального типа конструкции Я. С. Лаздана (рис.
1-24, табл. 1-23а) с поверхностью нагрева F =2,58 м2, площадью
проходного сечения по воде (при z=2) fT =0,0132 м2, количеством и длиной трубок , числом рядов трубок по вертикали m = 8. основные
размеры подогревателя приведены в табл. 1-23 б.

Уточним скорость течения воды  в трубках подогревателя:

Поскольку активная длина трубок l=1600 мм, длина
хода воды

Определяем гидравлические потери в подогревателе.
Коэффициент гидравлического трения при различных режимах течения жидкости и
различной шероховатости стенок трубок можно подсчитать по формуле А. Д.
Альтшуля:

где k1 — приведенная линейная шероховатость, зависящая от
высоты выступов, их формы и частоты.

Принимая k1=0 (для чистых латунных трубок), формулу можно
представить в более удобном для расчетов виде (для гидравлически гладких труб):

Уточняем критерий Рейнольдса Re:

Значения lT=f(Re) для
гидравлически гладких труб найдем, используя табл. 1–2, по известной величине Re находим .

потерю давления в подогревателе определяем с учетом
дополнительных потерь от шероховатости в результате загрязнений латунных труб Хст=1,3,
а по табл. 1–4 коэффициенты местных сопротивлений имеют следующие значения:

x * n (кол-во
гидро сопротивлений см. чертеж)

Вход в камеру

Вход в трубки

Выход из трубок

Поворот на 180°

Выход из камеры

Итого Sx

9,5


потеря давления в подогревателе (при условии )

Гидравлическое сопротивление пароводяных подогревателей
по межтрубному пространству, как правило, не определяется, так как его величина
вследствие небольших скоростей пара (до 10 м/сек) очень мала.

2. Расчет секционного
водоводяного подогревателя

температура сетевой воды при входе в водоводяной
подогреватель , , коэффициент
теплопроводности стали , ).

Расходы сетевой воды в трубках и воды, нагреваемой в
межтрубном пространстве:

где теплоемкость воды

,


Площадь проходного сечения трубок (при заданной в
условии расчета скорости течения воды в трубках ):

выбираем подогреватель по МВН-2050-29(рис. 1-25.
Согласно таблице 1-24а он имеет: наружный диаметр корпуса 168 мм и внутренний —
158 мм, число стальных трубок (размером 16х14 мм (т.е. dH=16 мм dB=14)) n =37 шт., площадь
проходного сечения трубок fт =0,00507м2, площадь проходного сечения межтрубного
пространства fмт =0,0122 м2.

Скорость воды в трубках и в межтрубном пространстве:

=6,7/(3600*0.00507)=0.37 м/с.

=16/(3600*0.0122)=0.37 м/с.

Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства

=

Средняя температура воды в трубках и между трубками:

При этой температуре температурный множитель,
необходимый для дальнейших расчетов (по таблице 1-1 A5T »2960);


(А5МТ » 2650).

Режим течения воды в трубках (при t1 = 110 0C, nT = 0,357*10-6 м2/с) и межтрубном пространстве (при t = 82,50C, nМТ = 0,271*10-6
м2/с) турбулентный, так как

=

=

Коэффициенты теплоотдачи (для турбулентного режима
течения воды)

Расчетный коэффициент теплопередачи (коэффициент
теплопроводности стали l=39
ккал/м ч град) определяем по формуле для плоской стенки, так как ее толщина
меньше 2,5 мм:

Температурный напор:


0C

поверхность нагрева подогревателя:

= ,

Длина хода по трубкам при среднем диаметре трубок d= 0,5(dH+dB); d= 0,5∙(0,016+0,014)
=0,015 м

=

Число секций (при длине одной секции lТ= 2 м)

Z=LT / lT =11,6 / 2 = 5,8секций;
принимаем 6 секций.

Уточненная поверхность нагрева подогревателя согласно
технической характеристике выбранного нами аппарата составит: F/ = 3,38 (табл. 1-24б)

F=F/ ∙Z=3,38*6 »20,28 м2.

Действительная длина хода воды в трубках и межтрубном
пространстве LT=2*6=12м; LMT=3,5*6=21м (при подсчете LMT расстояние
между патрубками входа и выхода сетевой воды, равное 3,5 м, выбрано из
конструктивных соображений).

Определяем гидравлические потери в подогревателе.
Коэффициенты гидравлического трения для трубок и межтрубного пространства
определяем по формуле Альтшуля.

k – коэффициент
абсолютной шероховатости. Для бесшовных стальных труб изготовления высшего
качества k =0,06÷0,3 мм. выбираем k=0,3*10-3 мм:

;

 — эквивалентный
диаметр для межтрубного пространства.

Коэффициенты местных сопротивлений для потока воды в
трубках, принимаем по таб.1-4.

x * n(кол-во
данных сопротивлений см. чертеж)

Вход в трубки

1,5 * 6=9.0

Выход из трубок

1,5 * 6=9,0

Поворот в колене

0,5 * 5=2.5

Итого:

S =20,5

Суммарный коэффициент местных сопротивлений для потока
воды в межтрубном пространстве определяется из выражения.

Отношение сечений входного и выходного патрубка


fмт/fпатр = 1.

=20,5*1*6=123.

потери давления в подогревателе с учетом дополнительных
потерь Хст от шероховатости (для загрязненных стальных труб по табл. 1-3
принимаем Хст =1,51):

=;3973 Па.

потери в межтрубном пространстве подсчитываются по
аналогичной формуле, но лишь в том случае, когда сумма значений коэффициентов
местных сопротивлений Sxмт определена по указанной выше формуле, в противном
случае расчет потерь Dpмт значительно
усложняется.

Итак,

 =

3. Расчетные
данные пароводяного и секционного водоводяного теплообменников

Тип теплообменника

Коэффициент теплопередачи K, ,

Температурный напор
Dt,
°С

поверхность нагрева

F, м2

Диаметр корпуса

D, м

Длина корпуса

L,м

Гидравлическое сопротивление Dp,

Па

Число ходов Z

Пароводяной

3304

59,5

2,03

0,254

3,2

0,122 (1197)

2

Секционный водоводяной

849

23,3

20,2

0,168

2,04

0,405 (3973)

6

Вывод

сравнение показывает, что для данных условий
пароводяной теплообменник имеет те преимущества, что он более компактен и
гидравлическое сопротивление его меньше.

4. Учебно-исследовательский раздел

1. Какой вид теплопередачи протекает в т.о. аппаратах.

Конвекция — явление переноса теплоты в слоях жидкостях или газах при их перемешивании. Различают
свободную и вынужденную конвекцию.

В нашем случае, конвекция является вынужденной.

Вынужденная конвекция — перемешивание жидкости
происходит с помощью каких-либо внешних устройств.

2.Есть или нет фазовый переход.

Фазовый переход — переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних
условий (температура, давление)

Так как предпочтительный т.о. аппарат у нас
пароводяной, то фазовый переход есть.

3.Режим течения жидкости.

Различают ламинарный и турбулентный режимы течения
жидкости. В нашем случае, это турбулентный режим т.к Re>2300.

4. стенка внутри и снаружи: прямая, гладкая.

Уравнения для расчета:

 — ур-е теплоотдачи.

 — ур-е теплопроводности через
плоскую стенку

 — ур-е теплопередачи через плоскую
стенку

 — коэффициент
теплопередачи.

;

Согласно исходным данным:

F= 2,58м2 — поверхностью нагрева;

∆t =
59,50С — температурный напор;

 ()

 ()

 ()

 ()

 ()

 ()

 ()

 ()

 ()

 ()

 ()

(мм)

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

Q(М)

5,84

4,39

3,9

1,7

0,75

0,12

0,1

0,09

0,08

0,072

Строим график зависимости :

5. Подбор критериальных уравнений для имеющих место случаев
теплообмена т.о. аппаратах. Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи

критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент
теплоотдачи), характеризует теплообмен между поверхностью стенки и жидкостью
(газом).

 ;

d — диаметр;

α- коэф. конвективной теплоотдачи, Вт/(м2*K).

Критерий Прандтля (критерий физических свойств
жидкости) –характеризует физические свойства жидкости и способность
распространения теплоты в жидкости. Для газов Pr=0,6 – 1,0 и зависит только от атомности, жидкости Pr = 1-2500, для жидких металлов Pr=0,005-0,05.

;

v – коэффициент кинематической вязкости среды.

При вынужденной конвекции и турбулентном режиме
течения жидкости.

Пароводяной т.о. аппарат:

1.
внутри трубок:

2.
 

;

;

По справочнику "справочник по теплопередачи"
(стр.268 табл.XXXIX. [2]) выбираем число при соответствующих температурах.

Prст =1,55 при tст=113˚C ;

;

3.
снаружи трубок:

,

 

 при tст = 113

;

Найдем α.

 

Водоводяной т.о. аппарат:

1.
внутри трубок

;

По справочнику "справочник по теплопередачи"
выбираем число при соответствующих температурах.

,

2. снаружи трубок

,

;

Найдем α.

;

Результаты расчетов:

Коэффициент
теплоотдачи α,

Курсовая работа, (отраслевой
расчет)

По критериальным уравнениям

Пароводяной т.о. аппарат

5495

7794

6250

4640

К

3304

1560

Водоводяной т.о. аппарат

2597

6488

2900

2527

К

849

1692

список литературы

1.
Лебедев П.Д.,
Щукин А.А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. (Курсовое
проектирование). / Учеб. пособие для энергетических вузов и факультетов. – М.:
Энергия, 1970 – 408 с.;

2.
Кутателадзе С.С.,
Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. – М.: Госэнергоиздат, 1958 – 418
с.

Учебная работа. Расчет теплообменных аппаратов