Расчет теплообменных аппаратов

СОДЕРЖАНИЕ: Тепловой и конструктивный расчет отопительного пароводяного подогревателя горизонтального типа и секционного водоводяного теплообменника. Подбор критериальных уравнений для процессов теплообмена. Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи.

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

0.465 (0.4)

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 значение и, следовательно, .

Диаметр корпуса составит (рис 1):

где dН – наружный диаметр трубки,

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

Принимаем для корпуса подогревателя трубу диаметром мм.

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, значение которого выбирается по таблице значения температурных множителей в формулах для определения коэффициентов теплоотдачи.

При имеем , тогда

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 значение температуры стенки трубок

Поскольку уточненное значение tст мало отличается от принятого для 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, ;

t – 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:

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 =0,060,3 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,

м вод. ст.

Па

Число ходов Z

Пароводяной

3304

59,5

2,03

0,254

3,2

0,122 (1197)

Секционный водоводяной

849

23,3

20,2

0,168

2,04

0,405 (3973)

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 Re2300.

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	2,4	1,7	0,75	0,12	0,1	0,09	0,08	0,072

Строим график зависимости :

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

;

d - диаметр;

- 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:

;

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

Prст =1,55 при tст=113C ;

;

3. снаружи трубок:

при tст = 113

;

Найдем .

Водоводяной т.о. аппарат:

1. внутри трубок

;

По справочнику справочник по теплопередачи выбираем число при соответствующих температурах.

2. снаружи трубок

;

Найдем .

;

Результаты расчетов:

Коэффициент теплоотдачи ,	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.

Скачать архив с текстом документа