Тепловой и гидравлический расчет кожухотрубного теплообменного аппарата

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Авиационный факультет

КАФЕДРА ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ПРОМЫШЛЕННОЙ ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКИ

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО КУРСУ “ТЕПЛОМАССООБМЕН ”

ВОРОНЕЖ

Содержание

Введение

1 Тепловой расчет

1.1 Определение режимов течения теплоносителей

1.2 Определение неизвестного расхода

1.3 Определение температуры стенки теплообменных трубок

1.4 Определение коэффициента теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя

1.5 Определение коэффициента теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя

1.6 Определение коэффициента теплопередачи

1.7 Уточнение температуры стенки

1.8 Определение теплопроизводительности аппарата

1.9 Определение конструктивных параметров аппарата

2 Гидравлический расчет

2.1 Определение потерь в трубном пространстве

2.2 Определение потерь в межтрубном пространстве

Заключение

Список литературы

Приложение А

Введение

Целью данной курсовой работы является выполнение теплового и гидравлического расчетов кожухотрубного теплообменного аппарата.

Тепловой расчет сводится к определению площади поверхности теплообмена F и теплопроизводительности аппарата Q.

Гидравлический расчет сводится к определению потерь давления в трубном Р_тр и межтрубном Р_мт пространствах, а также к определению мощностей насосов для прокачки теплоносителей N_тр и N_мт соответственно.

Исходными параметрами являются:

1) тип греющей среды, ее расход G, температура на входе и на выходе , допустимый диапазон скоростей w₁;

2) тип нагреваемой среды, температура на входе и на выходе , допустимый диапазон скоростей w₂;

3) геометрические характеристики поверхности теплообмена:

d₁ - внутренний диаметр трубок;

- толщина стенки трубок;

4) материал трубок.

В результате расчета необходимо определить:

1) теплопроизводительность аппарата Q;

2) площадь поверхности теплообмена F;

3) потери давления Р_тр и мощность насоса N_тр в трубном пространстве;

4) потери давления Р_мт и мощность насоса N_мт в межтрубном пространстве.

1 Тепловой расчет

1.1 Определение режимов течения теплоносителей

По условию задания греющая и нагреваемая среды однотипны, поэтому не имеет принципиального значения, в каком пространстве будет течь греющая или нагреваемая среда. Пусть в трубном пространстве течет греющая среда (будем обозначать ее индексом 1), а в межтрубном - нагреваемая (будем обозначать ее индексом 2).

По условию задания температура на выходе нагреваемого теплоносителя выше температуры на выходе греющего теплоносителя и значит, в качестве схемы движения теплоносителей выбираем противоток.

Выберем скорости движения теплоносителей из допустимого диапазона (для греющей среды м/с, для нагреваемой среды м/с)

м/с;

м/с.

Найдем средние температуры теплоносителей:

,

.

Все теплофизические свойства теплоносителей при их характерных температурах приведены в приложении А.

Определим режим движения в трубном пространстве:

,(1.1)

где - средняя скорость теплоносителя в трубном пространстве, м/с;

- внутренний диаметр трубок, м;

- коэффициент кинематической вязкости жидкости при температуре t₁, м²/с.

.

Так как число Рейнольдса меньше, чем 2300, то режим течения ламинарный.

Определим режим движения в межтрубном пространстве:

,(1.2)

где - средняя скорость теплоносителя в межтрубном пространстве, м/с;

- наружный диаметр трубок, м;

- коэффициент кинематической вязкости жидкости при температуре t₂, м²/с.

Так как число Рейнольдса меньше, чем 2300, то режим течения ламинарный.

1.2 Определение неизвестного расхода

В условии курсовой работы не задан массовый расход греющего теплоносителя G₂. Найдем его по уравнению теплового баланса, которое имеет вид

.

Отсюда:

,(1.3)

где G₂ - массовый расход нагреваемого теплоносителя, кг/с;

c_p1 - средняя удельная изобарная теплоемкость греющего теплоносителя при температуре t₁, кДж/(кгК);

c_p2 - средняя удельная изобарная теплоемкость нагреваемого теплоносителя при температуре t₂, кДж/(кгК);

з - КПД аппарата, учитывающий потери теплоты от наружного охлаждения ТОА.

кг/с.

1.3 Определение температуры стенки теплообменных трубок

В первом приближении средняя температура стенки равна среднему арифметическому между температурами теплоносителей:

,(1.4)

где - средняя температура греющего теплоносителя, °С;

- средняя температура нагреваемого теплоносителя, °С.

°С.

По выбираем критерии Прандтля для жидкостей, движущихся в ТОА.

Pr_с1 = Pr_с2 = 1760,

гдеPr_с1, Pr_с2 - критерии Прандтля для греющей и нагреваемой воды.

Коэффициент теплопроводности медных труб л_с = 388,6 Вт/(м·К).

1.4 Определение коэффициента теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя

При турбулентном и переходном режимах Nu зависит от Re и Pr, а при ламинарном еще и от длины трубок. Поэтому перед расчетом Nu₁ зададимся некой "предполагаемой длиной", по которой будем вести расчет трубного пространства. Формула для расчета среднего значения критерия Нуссельта имеет вид:

,(1.5)

где Pr₁ - критерий Прандтля теплоносителя при его средней температуре;

Pr_c - критерий Прандтля теплоносителя при средней температуре стенки.

Т.к. , то можно записать формулу для определения среднего коэффициента теплоотдачи для греющего теплоносителя:

,(1.6)

где ₁ - коэффициент теплопроводности греющего теплоносителя при его средней температуре, Вт/(мК).

Вт/(м²К).

1.5 Определение коэффициента теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя

Выберем шахматную компоновку трубного пучка.

Т.к. в межтрубном пространстве режим течения теплоносителя ламинарный, то формула для расчета среднего значения критерия Нуссельта для шахматного порядка имеет вид:

,(1.7)

где Pr₁ - критерий Прандтля теплоносителя при его средней температуре;

Pr_c - критерий Прандтля теплоносителя при средней температуре стенки;

.

Аналогично формуле (1.6) можно записать:

,(1.8)

Вт/(м²К).

1.6 Определение коэффициента теплопередачи

Т.к. отношение наружного диаметра трубки к внутреннему составляет 1,083, что меньше 1,6, то при расчете среднего коэффициента теплопередачи можно пользоваться формулой для плоской стенки.

Вычислим средний коэффициент теплопередачи:

,(1.9)

где _С - толщина стенок трубок, м; _С - коэффициент теплопроводности материала стенок при средней температуре стенки;

Вт/(м²К).

1.7 Уточнение температуры стенки

Средний температурный напор для прямоточных и противоточных ТОА с учетом перекрестного тока вычисляется по формуле:

, (1.10)

где t_Б - большая разность температур между теплоносителями;

t_М - меньшая разность температур между теплоносителями;

е_Дt = 0,75 - поправка на перекрестный ток.

t_Б и t_М выбираются по разности температур и , и разности температур и .

- = 100-60 = 40 °С,

- = 40-20 = 20 °С.

°С.

Температура стенки труб со стороны греющего теплоносителя находится по формуле:

, (1.11)

Температура стенки труб со стороны нагреваемого теплоносителя находится по формуле:

,(1.12)

Найдем уточненную среднюю температуру стенки:

.(1.13)

Определим погрешность нахождения средней температуры стенки:

%.(1.14)

Т.к. t_c>5 %, то температура стенки определена с недостаточной степенью точности. Проведем аналогичный расчет, приняв за среднюю температуру стенки значение, полученное по формуле (1.13).

1.8 Определение теплопроизводительности аппарата

Теплопроизводительность аппарата Q определим из уравнения теплового баланса:

, (1.15)

Вт.

Найдем площадь поверхности теплообмена F:

, (1.16)

где - средний температурный напор.

м².

1.9 Определение конструктивных параметров аппарата

Найдем общее количество трубок в аппарате. Для этого из уравнения неразрывности найдем суммарную площадь проходного сечения всех трубок:

, (1.17)

где - плотность греющего теплоносителя при его средней температуре, кг/м³.

м².

Общее количество трубок n будет равно:

, (1.18)

где - площадь поперечного сечения одной трубки, м².

м²;

.

Таким образом, общее количество трубок в аппарате равно 10 и они расположены так, как показано на рис. 1. Согласно рисунку количество рядов труб по ходу потока в межтрубном пространстве m равно 3.

Вычислим длину трубок:

, (1.19)

где - средний диаметр трубок, м;

м.

Сравним полученную длину с ранее взятой:

Сделаем еще несколько итераций для уточнения длины теплообменных трубок. Т. к. они полностью аналогичны выше изложенной, то сведем их в таблицу:

Таблица 1 - уточнение длины теплообменных трубок

№	lнач, м	l, м	Д, %
2	903	2146,5	57,9
3	2200	3056	28
4	3200	3546,8	9,78
5	3600	3716,9	3,15
6	3750	3777,8	0,74

В результате изменится площадь поверхности теплообмена F:

F=1484 м.

2 Гидравлический расчет

2.1 Определение потерь в трубном пространстве

Формула для суммарных потерь в трубном пространстве имеет вид:

, (2.1)

где - потери по длине трубок;

- потери на местных сопротивлениях.

Для расчета потерь по длине воспользуемся формулой Дарси-Вейсбаха:

, (2.2)

где - коэффициент Дарси, который для ламинарного течения находится по формуле

,(2.3)

Па.

В качестве местных сопротивлений в рассматриваемом аппарате присутствуют вход в трубную решетку и выход из нее

, (2.4)

где и - КМС входа и выхода соответственно

Па

Найдем мощность насоса для прокачки теплоносителя через трубное пространство теплообменника. Она равна:

,(2.5)

где - КПД насоса.

Вт.

2.2 Определение потерь в межтрубном пространстве

Формула для суммарных потерь в межтрубном пространстве имеет вид:

, (2.6)

где - потери по длине трубок;

- потери на местных сопротивлениях.

Для расчета потерь по длине воспользуемся формулой Дарси-Вейсбаха:

, (2.7)

где - коэффициент Дарси, который для ламинарного течения находится по формуле

, (2.8)

Па.

, (2.9)

где - коэффициент потерь в межтрубном пространстве;

Па.

Найдем мощность насоса для прокачки теплоносителя через межтрубное пространство теплообменника. Она равна:

;(2.10)

Вт.

Заключение

В данной курсовой работе были произведены тепловой и гидравлический расчеты кожухотрубного теплообменного аппарата.

В результате теплового расчета было определено:

1) теплопроизводительность аппарата Q=232636,32 Вт;

2) площадь поверхности теплообмена F=1484 м².

В результате гидравлического расчета было определено:

1) потери давления Р_тр=84723941 Па и мощность насоса N_тр=220635,3 Вт в трубном пространстве;

2) потери давления Р_мт=347881813,7 Па и мощность насоса N_мт=1363091,4 Вт в межтрубном пространстве.

Список литературы

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Учебник для вузов. 3-е изд. перераб. и доп. М.:Энергия. 1975.-488 с.

2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.:Энергия. 1973.-368 с.

3. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. М.:Энергия. 1975.-280 с.

4. Козлова О.В., Новиков Ю.Л., Бочарова Т.Н. Стандарт предприятия. Оформление расчетно-пояснительной записки и графической части. СТП ВГТУ 004-2003.-42 с.

5. Теплотехнический справочник. Под общ. ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. В -2х т. Изд. 2-е, перераб. М., «Энергия», 1976.-897 с.

Приложение А

(обязательное)

Таблица теплофизических свойств теплоносителей (масло МС-20)

t, °C	, кг/м3	Ср, Дж/(кгК)	·102, Вт/(мК)	106, м2/с	Pr
t1	864	2,198	12,8	58,4	865
t2	881	2,106	13,1	276	3890