Тепловой расчёт рекуперативного теплообменника

Министерство образования и науки РФ

Московский Государственный Открытый Университет

Чебоксарский институт

Кафедра

Технология конструкционных материалов и литейного производства

Специальность 190601

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине ТЕПЛОТЕХНИКА

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Дата проверки Выполнил студент Иванов С.В.

Результат проверки Учебный шифр 705183

Курс 3

Проверил Пестриков В.Ф.

Замечания

2008

Введение

Теплообменник - теплообменный аппарат, устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями либо между теплоносителем и поверхностью твёрдого тела.

Объектом проектирования является рекуперативный теплообменник, предназначенный для улавливания тепла Изот удаляемых из зоны горения плавильной печи дымовых газов с одновременным нагревом воздуха, нагнетаемого в печь в зону горения.

Цели и задачи курсовой работы:

Различают конструктивный и поверочный тепловой расчет теплообменного аппарата.

Цель конструктивного расчета состоит в определении величины рабочей поверхности теплообменника, которая является исходным параметром при его проектировании. При этом должно быть известно количество передаваемой теплоты или массовые расходы теплоносителей и изменение их температуры.

Поверочный расчет выполняется для теплообменника с известной величиной поверхности.

Цель теплового расчета состоит в определении температур теплоносителя на выходе из теплообменника и количества передаваемой теплоты.

В задании на курсовую работу необходимо, руководствуясь данной методикой, произвести конструктивный, тепловой и гидравлический расчеты рекуперативного теплообменника. В ходе расчета следует выбрать исходные конструктивные соотношения для компоновки теплообменника, определить рабочую поверхность теплообменника, подобрать тепловую изоляцию и основные размеры, сделать эскизную схему аппарата. Необходимо определить затраты мощности на прокачку холодного и горячего теплоносителей.

В ходе работы нужно спроектировать теплообменник-рекуператор для заданных параметров рабочего тела. Расчет выполнить на стадии технического предложения.

3адания на курсовую работу по теме

«Расчет теплообменника»

1.Выполнить конструктивный и тепловой расчет теплообменника-рекуператора, предназначенного для улавливания тепла от удаляемых из зоны горения плавильной печи дымовых газов с одновременным нагревом воздуха, нагнетаемого в печь в зону горения.

2.Как возможный вариант выбрать двухходовый или четырехходовый гладкотрубный теплообменник с поперечным обтеканием труб.

Трубы расположены в коридорном порядке (вариант А) с шагами и. Диаметр труб d = 50 мм, толщина б= 4мм. Средняя скорость потока воздуха в узком сечении пучка. Температура воздуха перед пучком , за пучком . Расход воздуха . Физические свойства дымового газа приведены в таблице №1.Их средняя скорость . Расход дымовых газов .

Дополнительные требования

1 .Пояснительная записка должна содержать:

1.1.Введение.

1.2.3адание.

1.3.Описание конструкции и обоснование выбора отдельных элементов аппарата.

1.4.Тепловой расчет аппарата.

1.5.Аэродинамический расчет аппарата.

1.6.Выводы.

1.7.Список литературы

2.Эскиз теплообменника.

Описание конструкции и обоснование выбора отдельных элементов аппарата

Применение рекуперативного теплообменника позволяет избежать конденсации влаги из воздуха в сушильной патере, при поступлении в камеру свежего холодного воздуха (в зимний период), а также уменьшает потери тепла с выбросом отработанного влажного воздуха на 5-10%.

Для исключения этого, а также для экономии тепловой энергии, применяются рекуперативные теплообменники.

Рекуперативный теплообменник - это аппарат, в котором теплообменивающиеся потоки разделены поверхностью теплообмена.

Конструктивно теплообменник представляет собой теплоизолированный корпус, в котором особым образом расположены алюминиевые пластины с ребрами и боковыми проставками.

В теплообменнике нагрев свежего холодного воздуха происходит за счет охлаждения отработанного горячего воздуха, таким образом, в камеру поступает уже предварительно нагретый воздух.

Рекуперативный теплообменник конструктивно выполнен перекрестно-точным, благодаря чему достигается хороший тепловой контакт между потоками горячего и холодного воздуха.

Корпус теплообменника имеет входные и выходные отверстия, через которые теплообменник соединяется с печью и вытяжным вентилятором.

Вытяжной вентилятор, в зависимости от исполнения, может располагаться и внутри рекуперативного теплообменника.

Особенность рекуперативного заключается в том, что их можно использовать лишь в том случае, если хотя бы в одном месте приточные и вытяжные воздуховоды размещены в непосредственной близости друг от друга.

Дымовые газы подогревают концы тепловых труб, вызывая испарение жидкости и перемещение пара в противоположную часть трубы.

Схема четырехходового рекуператора из гладких стальных труб.

1- тепловой изолятор;

2- трубы;

3- воздушная коробка;

4 и 6- трубные листы;

5- лист для разделения потока воздуха.

Выбор конструкции теплообменных аппаратов

Конструкцию теплообменника следует выбирать, исходя из следующих основных требований, предъявляемых к теплообменным аппаратам.

Важнейшим требованием является соответствие аппарата технологическому процессу обработки данного продукта; это достигается при таких условиях: поддержание необходимой температуры процесса, обеспечение возможности регулирования температурного режима; соответствие рабочих скоростей продукта минимально необходимой продолжительности пребывания продукта в аппарате; выбор материала аппарата в соответствии с химическими свойствами продукта; соответствие аппарата давлениям рабочих сред.

Вторым требованием является высокая эффективность (производительность) и экономичность работы аппарата, связанные с повышением интенсивности теплообмена и одновременно с соблюдением оптимальных гидравлических сопротивлений аппарата. Эти требования обычно выполняются при соблюдении следующих условий: достаточные скорости однофазных рабочих сред для осуществления турбулентного режима; благоприятное относительное движение рабочих сред (обычно лучше противоток); обеспечение оптимальных условий для отвода конденсата и неконденсирующихся газов (при паровом обогреве); достижение соизмеримых термических сопротивлений по обеим сторонам стенки поверхности нагрева; предотвращение возможности за-грязнения и легкая чистка поверхности нагрева, микробиологическая чистота и др.

Существенными требованиями являются также компактность, малая масса, простота конструкции, удобство монтажа и ремонта аппарата. С этой точки зрения оказывают влияние следующие факторы; конфигурация поверхности нагрева; способ размещения и крепления трубок в трубных решетках; наличие и тип перегородок, уплотнений; устройство камер, коробок, днищ; габаритные размеры аппарата и др.

Ряд факторов определяет надежность работы аппарата и удобство его эксплуатации: компенсация температурных деформаций, прочность и плотность разъемных соединений, доступ для осмотра и чистки, удобство контроля за работой аппарата, удобство соединения аппарата с трубопроводами и т. д.

Эти основные требования должны быть положены в основу конструирования и выбора теплообменных аппаратов. При этом самое большое значение имеет обеспечение заданного технологического процесса в аппарате.

Основные способы увеличения интенсивности теплообмена в подогревателях:

а) уменьшение толщины гидродинамического пограничного слоя в результате повышения скорости движения рабочих тел или другого вида воздействия; это достигается, например, разбивкой пучка трубок на ходы и установкой межтрубных перегородок;

б) улучшение условий отвода неконденсирующихся газов и конденсата при паровом обогреве;

в) создание благоприятных условий для обтекания рабочими телами поверхности нагрева, при которых вся поверхность активно участвует в теплообмене;

г) обеспечение оптимальных значений прочих определяющих факторов: температур, дополнительных термических сопротивлении и т. д.

Путем анализа частных термических сопротивлений можно выбрать наилучший способ повышения интенсивности теплообмена в зависимости от типа теплообменника и характера рабочих тел. Перегородки не всегда необходимы; при вертикальном расположении трубок и нагреве паром последний подается в межтрубное пространство; поперечные перегородки будут мешать стеканию конденсата. При теплообмене газа с газом или жидкости с жидкостью количество протекающей через межтрубное пространство жидкости может оказаться настолько большим, что скорость ее достигнет тех же значений, что и внутри трубок; следовательно, установка перегородок теряет смысл. Перегородки бесцельны также в случае сильно загрязненных жидкостей, при которых вследствие нарастания слоя загрязнений на трубках решающее влияние на коэффициент теплопередачи оказывает величина Rn.

Материальные и тепловые расчеты

Общая часть.

1. Определим расход теплоты и расход воды. Примем индекс «1» для горячего теплоносителя (бензол + толуол), индекс «2» - для холодного теплоносителя (вода).

Предварительно найдем среднюю температуру воды:

t2 = 0,5 (10 + 25) = 17,5 С;

среднюю температуру смеси бензол-толуол:

= 31 + 17,5 = 48,5 С; (3.1)

где - средняя разность температур, равная при потоке теплоносителей 31 С.

+80,5 25 С;

+25 10 С;

;

= 31 С; (3.2)

Без учета потерь тепла расход теплоты:

Вт; (3.3)

расход воды аналогично (3.3) выразив через расход:

кг/с; (3.4)

где =1927 Дж/(кг К) и =4190 Дж/(кг К) - удельные теплоемкости смеси и воды при их средних температурах =48,5 С и =17,5 С [1, рис. XI и таб. XXXIX].

Объемные расходы смеси и воды:

(3.5)

(3.6)

где и - плотность смеси берем как для чистого бензола, так как содержание толуола не велико и изменение плотности очень не значительное [1, таб. IV] и воды [1, таб. XXXIX].

Наметим варианты теплообменных аппаратов.

Для этого определим ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая Кор = 500 по [1, таб. 4.8], т. е. Приняв его таким же, как и при теплообмене от жидкости к жидкости для воды:

; (3.7)

Из величины = 23 следует, что проектируемый теплообменник может быть много ходовым. Поэтому для правильности расчета нужно сделать поправку для многоходовых теплообменников.

В аппаратах с противоточным движением теплоносителей при прочих равных условиях больше чем в случае прямотока. При сложном взаимном движении теплоносителей принимает промежуточные значения, которые учитывают, вводя поправку к средне логарифмической разности температур для противотока.

; (3.8)

где ; ;

; ;

; ; ;

;

Рассчитаем коэффициент по формуле (3.8)

;

= С; (3.9)

Для обеспечения интенсивного теплообмена попытаемся подобрать аппарат с турбулентным режимом течения теплоносителей. Смесь бензол-толуол направим в трубное пространство, так как это активная среда, воду - в межтрубное пространство.

В теплообменных трубах 25*2 мм холодильников по ГОСТ 15120-79 скорость течения смеси при Re 2 > 10000 должна быть более

(3.10)

где - вязкость смеси при 48,5 С; [1, с. 556].

Число труб, обеспечивающих такой режим, должно быть:

; (3.11)

т.е. число труб n < 44,9 на один ход.

Выберем варианты теплообменников [2, таб. 2.3]:

Теплообменник «кожухотрубный» D = 600; d = 25*2; z=6; n/z = 32,7;

SВ.П. = 0,037 ; F = 61 ; L = 4 м; SВ.П. = 0,011.

2. Теплообменник «кожухотрубный» D = 600; d = 25*2; z=4; n/z = 51,5; SВ.П. = 0,04 ; F = 65 ; L = 4 м; SВ.П. = 0,018.

Вариант 1. Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15120-79)

Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быт более

Составим схему процесса теплопередачи (Рис. 3.1).

а) В трубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для смеси бензол-толуол.

Бензол-толуол

Вода

Рис. 3.1 (к первому варианту расчета)

; (3.12)

;

; (3.13)

;

где =0,14 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности смеси бензол-толуол [1, рис. X].

Рассчитаем критерий Нуссельта для турбулентного течения смеси:

; (3.14)

где примем равному 1, и соотношение =1 с дальнейшей поправкой.

Коэффициент теплоотдачи смеси бензол-толуол к стенке:

; (3.15)

б) Межтрубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды. Скорость воды в межтрубном пространстве.

; (3.16)

Критерий Рейнольдса для воды:

; (3.17)

где =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX], = 998 при температуре +17,5 С;

Критерий Прандтля для воды при +17,5 С:

; (3.18)

где =0,59 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].

Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000.

; (3.19)

где - плотность воды при 17,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности воды при 10 и 25 С; =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX] - динамический коэффициент вязкости воды при 17,5 С.

;

Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28]

; (3.20)

примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость воды при 17,5 С и температуре стенки соответственно по формуле (3.20).

;

Коэффициент теплоотдачи для воды:

; (3.21)

Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI]:

; (3.22)

;

Коэффициент теплопередачи:

; (3.23)

Поверхностная плотность потока:

; (3.24)

Определим ориентировочно значения и , исходя из того, что

; (3.25)

где сумма .

Найдем: С; (3.26)

С; (3.27)

С; (3.28)

Проверка: сумма ;

12,3 + 4,3 + 8,5 = 25,1 С;

Отсюда

С; (3.29)

С; (3.30)

Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив .Критерий Прандтля для смеси бензол-толуол при С;

;(3.31)

где [1, с.262]; [1, с.556]; [1, с.561].

Коэффициент теплоотдачи для смеси:

(3.32)

Коэффициент теплоотдачи для воды:

(3.33)

где [1, таб. XXXIX];

Исправленные значения К, q, и (3.23):

;

; (3.34)

С; (3.35)

С; (3.36)

(3.37)

(3.38)

Дальнейшее уточнение , и других величин не требуется, так как расхождение между крайними значениями не превышает 5%.

Расчетная площадь поверхности теплопередачи:

; (3.39)

запас

Вариант 2. Теплообменник «кожухотрубный» (ГОСТ 15120-79)

Скорость течения в трубах, для обеспечения турбулентного режима, должна быт более

Составим схему процесса теплопередачи (Рис. 3.2).

а) В трубное пространство. Определим критерии Рейнольдса и Прандтля для смеси бензол-толуол. Рассчитаем Рейнольдс по формуле (3.12)

Бензол-толуол Вода

Рис. 3.2 (ко второму варианту расчета)

;

Критерий Прандтля (3.13).

;

где =0,14 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности смеси бензол-толуол [1, рис. X].

Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000.

где - плотность воды при 48,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности смеси при 25 и 80,5 С; =0,00045 Па с [1, с.556] - динамический коэффициент вязкости смеси при 48,5 С.

;

Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28]

примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость смеси бензол-толуол при 48,5 С и температуре стенки соответственно. Рассчитаем по формуле (3.20).

;

Коэффициент теплоотдачи для смеси бензол-толуол (3.15):

;

б) Межтрубное пространство. Рассчитаем коэффициент теплоотдачи для воды. Скорость воды в межтрубном пространстве (3.16).

;

Критерий Рейнольдса для воды (3.17):

;

где =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX], = 998 при температуре +17,5 С;

Критерий Прандтля для воды при +17,5 С (3.18):

;

где =0,59 Вт/(м К) - коэффициент теплопроводности воды [1, рис. XXXIX].

Для выбора формулы расчета коэффициента теплоотдачи рассчитаем значение GrPr при Re < 10000 (3.19).

;

где - плотность воды при 17,5 С [1, таб. XXXIX]; ; и - плотности воды при 10 и 25 С; =0,0011 Па с [1, таб. XXXIX] - динамический коэффициент вязкости воды при 17,5 С.

;

Для вертикального расположения труб примем выражение [1, форм. 4.28]

примем значение = 1 с дальнейшей поправкой где и вязкость воды при 17,5 С и температуре стенки соответственно (3.20).

;

Коэффициент теплоотдачи для воды (3.21):

;

Рассчитаем термическое сопротивление стенки и загрязнений [1, таб. XXXI] (3.22):

;

Коэффициент теплопередачи (3.23):

;

Поверхностная плотность потока (3.24):

;

Определим ориентировочно значения и , исходя из формулы (3.25).

Найдем: С; (3.26)

С; (3.27)

С; (3.28)

Проверка: сумма ;

13,9 + 3,6 + 7,6 = 25,1 С;

Отсюда

С; (3.29)

С; (3.30)

Введем поправку в коэффициенты теплоотдачи, определив . Для смеси бензол-толуол при С и воды при С;

Коэффициент теплоотдачи для смеси (3.33):

где - кинематическая вязкость [1, с.556].

Коэффициент теплоотдачи для воды (3.33):

где - вязкость воды при температуре стенки [1, таб. XXXIX];

Исправленные значения К, q, и (3.23),(3.34),(3.35) и (3.36):

;

;

С;

С;

Проверка расхождения по формулам (3.37) и (3.38).

Дальнейшее уточнение , и других величин не требуется, так как расхождение между крайними значениями не превышает 5%.

2.4. Расчетная площадь поверхности теплопередачи (3.39):

;

запас

Гидравлический и экономический расчет

Расчет гидравлического сопротивления. Сопоставим два выбранных варианта кожухотрбчатых теплообменников по гидравлическому сопротивлению.

Вариант 1. Скорость жидкости в трубах

; (4.1)

; (4.2)

Коэффициент трения рассчитываем по формуле (4.2):

;

где - высота выступов шероховатости на поверхности, d - диаметр трубы.

Диаметр штуцеров в распределительной камере - трубного пространства, - межтрубного пространства [2, с.55].

; (4.3)

Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле (4.3).

В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, 5 поворотов на 180 градусов, 6 входов в трубы и 6 выходов из них. В соответствии с формулой [2, форм. 2.35] получим

(4.4)

Рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле (4.4)

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве, ; примем округляя в большую сторону 9. Число сегментных перегородок x = 10 [2, таб. 2.7]

Диаметр штуцеров к кожуху - межтрубного пространства [2, с.55], скорость потока в штуцерах по формуле (4.3)

Скорость потока в наиболее узком сечении [2, таб. 2.3]

(4.5)

В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 10 поворотов сегменты и 11 сопротивлений трубного пучка при его обтекании

(4.6)

Рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле (4.6)

Вариант 2. Скорость жидкости в трубах (4.1)

;

Коэффициент трения рассчитываем по формуле (4.2):

;

Диаметр штуцеров в распределительной камере - трубного пространства, - межтрубного пространства [2, с.55].

Рассчитаем скорость в штуцерах по формуле (4.3).

В трубном пространстве следующие местные сопротивления: вход в камеру и выход из нее, 3 поворотов на 180 градусов, 4 входов в трубы и 4 выходов из них. В соответствии с формулой [2, форм. 2.35] рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле (4.4)

Число рядов труб, омываемых потоком в межтрубном пространстве, ; примем округляя в большую сторону 9. Число сегментных перегородок x = 10 [2, таб. 2.7]

Диаметр штуцеров к кожуху - межтрубного пространства [2, с.55], скорость потока в штуцерах по формуле (4.3)

Скорость потока в наиболее узком сечении [2, таб. 2.3]

(4.5)

В межтрубном пространстве следующие местные сопротивления: вход и выход жидкости через штуцера, 10 поворотов сегменты и 11 сопротивлений трубного пучка при его обтекании. Рассчитаем гидравлическое сопротивление по формуле (4.6)

Экономический расчет

Вариант 1. Масса теплообменника по [2, таб. 2.8]

Чтобы оценить стоимость аппарата необходимо рассчитать массу теплообменных труб.

(5.1)

где по [1, с.529]

Доля массы труб от массы всего теплообменника

Цена единицы массы теплообменника по [2, таб. 2.17] Цтр = 0,99 руб/кг. Цена теплообменника

Энергетические затрату с учетом КПД насосной установки на прокачивание горячей жидкости по трубам составит:

(5.2)

где по практическим расчетам [2, с.82].

Энергетические затраты на прокачивание холодной жидкости по межтрубному пространству

(5.3)

Приведенные затраты составят

(5.4)

где 8000 - время работы насосов в году; = 0,02 - стоимость одного киловата энергии руб/кВт.

Вариант 2. Масса теплообменника по [2, таб. 2.8]

Чтобы оценить стоимость аппарата необходимо рассчитать массу теплообменных труб (5.1).

Доля массы труб от массы всего теплообменника

Цена единицы массы теплообменника по [2, таб. 2.17] Цтр = 0,975 руб/кг. Цена теплообменника

Энергетические затрату с учетом КПД насосной установки на прокачивание горячей жидкости по трубам составит (5.2):

где по практическим расчетам [2, с.82].

Энергетические затраты на прокачивание холодной жидкости по межтрубному пространству (5.3)

Приведенные затраты составят (5.4)

Выводы

Для наглядности результаты расчетов сведем в таблицу. Из (таб. 1) видно, что разница между приведенными затратами выбранных вариантов

Таблица 1.

Технико-экономические показатели	Вариант 1	Вариант 2
D, м	0,6	0,6
L, м	4	4
K,	306,7	250,1
F,	61	65
M, кг	2290	2290
	0,03495	0,01379
	680,1	669,9
	5,6	2,4
П,	685,7	672,3

незначительна. Но все-таки наиболее экономичным является второй вариант по приведенным затратам. К тому же у второго варианта больший запас поверхности, что дает преимущества, при загрязнении аппарата, перед первым вариантом.

Список литературы

1. Луканин В.Н.и др. Теплотехника., Учебник для ВУЗ-ов, ред. Луконин В.Н., М.. Высшая .школа ,2002 ,-671с.

2. Исаченко В.П. и др.Теплопередача ,М., Энергоиздат, 1981.

3.Долотов Г.П., Кондаков Е.А. Печи и сушила литейного производства, М., Машиностроение ,1984 ,-230 с.

4. Баскаков А.П. и др. Теплотехника ,Учебник для ВУЗ-ов , ред.Баскаков А.П., М., Энергоиздат ,1991,-224 с.

5. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С.Задачник по теплопередаче. М., «Энергия», 1975.

6. Нащекин В.В.Техническая термодинамика и теплопередача. Учебное пособие для ВУЗ-ов ,М., Высшая школа ,1980 ..

7. Михеев М.А., Михеева И.М.Основы Теплопередачи , М., 1977.

8. Авчухов В.В., Паюстев В.Я. Задачник по процессам тепломассообмена, М., 1986.