Телломассообменные процессы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задача

нормализованный спиральный теплообменник

По результатам теплового, гидравлического и технико-экономического расчетов выбрать оптимальный вариант нормализованного спирального теплообменника (рис.1) при следующих исходных данных, определяемых по последней и предпоследней цифрам шифра студента (табл. 1): расход греющего теплоносителя G₁, его температура на входе в теплообменник t ₁ и выходе из теплообменника t"₁, температура нагреваемого теплоносителя на входе и выходе соответственно t'₂ и t"₂.

G1, =29 кг/с; t?1=145°С; t?1=96 °С; t?2=18°С; t?2=50°С

Для всех вариантов одинаковыми принять следующие исходные данные: греющий и нагреваемый теплоносители - оборотная вода, схема движения теплоносителей противоточная, коэффициент потерь теплоты в теплообменнике зп = 0,98, материал спиралей - углеродистая сталь с коэффициентом теплопроводности л = 50 Вт/(м?К), толщина спиральной ленты д=0,004м, термические сопротивления загрязнений на поверхности спиральной ленты со стороны греющего и нагреваемого теплоносителей R1 = 2?10-4 м2?К/Вт и R2=3?10-4 м2?К/Вт, сумма коэффициентов местных сопротивлений в каждом канале теплообменника Уж = 3, КПД насосных установок для подачи теплоносителей з = 0,63 Ц_э = 0,02 руб./кВт-ч, число часов работы оборудования фр = 8000 ч/год.

Оптимизацию теплообменника выполнить для значения ширины канала b = 0,008м.В качестве критериев оптимальности (КО) принять: запас по поверхности теплообмена ?F; коэффициент компактности К_к; коэффициент металлоемкости К_м, энергетический коэффициент К_е и приведенные затраты Р_s.

Вычертить эскиз теплообменника с указанием конструктивных размеров.

Выполняется расчет теплового режима теплообменника.

Тепловая нагрузка теплообменника:

Q = G1с1 (t1' - t1") зп= 2,96е6 Вт

Расход нагреваемой среды:

G₂ = Q / [с₂ (t₂" - t₂')] =22,2 кг/с

Значения удельных теплоемкостей с₁ и с₂ определяются интерполяцией по таблице теплофизических свойств воды при средних температурах теплоносителей, рассчитываемых первоначально как средние арифметические из температур на входе и выходе теплообменника.

Средняя логарифмическая разность температур:

?t = (?tу - ?tм ) / ln (?tу / ?tм ) =86,2 С

где ? t _у и ? t_м - большая и меньшая крайние разности температур.

Водяные эквиваленты теплоносителей:

W1 = G1с1=6,162е4 Дж/кг с

W2 = G2с2 =9.264е4 Дж/кг с

Уточнение средних температур теплоносителей, делается в зависимости от соотношения водяных эквивалентов.

Так как W1 < W2, то t2 = 0,5 (t2' + t2") и t1 = t2 + ?t.

По полученным значениям t₁ и t₂ уточняются значения с₁, с₂, Q и G₂. При этих температурах в дальнейшем определяются остальные теплофизические характеристики теплоносителей.

Производится приближенная оценка площади поверхности теплообмена F_о по ранее принятым значениям б ₁ и б₂.

Коэффициент теплопередачи:

К = (1/б 1 + R1 + д/л + R2 + 1/б 2)-1.

Площадь поверхности теплообмена:

Fo = 103Q/(К?t).

Выбор площади поверхности теплообмена нормализованного теплообменника F выполняется по значению F_o. В соответствии с ГОСТ 12067 - 72 это может быть либо ближайшее большее значение поверхности теплообмена F, либо ближайшее меньшее значение, но не меньше 0,98 F_o.

Из таблицы технических характеристик спиральных теплообменников определяются: площадь поверхности теплообмена F, ширина спиральной ленты Н, длина спирального канала L, масса теплообменника М, его объем V и условный диаметр штуцеров d_у. Здесь же рассчитываются остальные характеристики нормализованного теплообменника.

Предварительно выбираем теплообменник с параметрами:

F=м?

Н= 0,7м

D=0.1м

L=28.6м

S=0,0084м?

Шаг спиралей:

e =b + д =0,012 м

Диаметр первого полувитка спиралей:

d1 = 3dy =0,3 м

Параметр спиралей:

х = 0,5 (d1/е - 1) =12

Количество витков спиралей:

n = [2L/(ре) + х2]0,5 - х =28,8 =0,995 м

Наружный диаметр спиралей:

d2 = d1 + 2nе + д.

Средний радиус кривизны спиралей:

R = 0,25(d1 + d2) =0,324 м

Эквивалентный диаметр канала:

d = 2b =0,016 м

Площадь поперечного сечения каналов для прохода теплоносителей:

fк = Hb.

Критическое число Рейнольдса, соответствующее возникновению развитого турбулентного течения в криволинейных каналах теплообменника:

Rеk = 18500/(d/2R)0,28 =52150

Выполняется расчет коэффициентов теплоотдачи для выбранного нормализованного теплообменника. Вначале производится расчет для греющего теплоносителя.

Температура стенки канала:

tc1 = t1 - К?t/б1 =110 С

Средняя скорость теплоносителя:

w1 = G1/(fkp1) =0,83 м/с

Число Рейнольдса:

Re = w1d/н1 =116190

Уравнение подобия для расчета числа Нуссельта:

Nu1 = 0,021 Rе10,8Pr1о,43(Рг1/Ргc1)0,25е_{R1 =244}

где Рг₁ и Рг_с1 - числа Прандтля при температурах t1 и tc1;

е_R1 - поправка на интенсификацию теплообмена за счет кривизны канала.

Если Rе1 ? Rеk, то режим течения в канале турбулентный со вторичной циркуляцией и еR1 = 1 + 1,8 D/R.

Если Rе1 < Rеk, то режим течения в канале турбулентный со вторичной циркуляцией и еR1 = 1.

Коэффициент теплоотдачи:

б1 = Nu1л1/d =10461

Аналогично выполняется расчет для нагреваемого теплоносителя.

Осуществляется уточненный расчет площади поверхности теплообмена Fp по рассчитанным значениям коэффициентов теплоотдачи. Для этого используются те же формулы.

Производится сравнение уточненной площади поверхности теплообмена Fp с ранее принятой площадью поверхности теплообмена Fо или определенной на предыдущей итерации, а также окончательный выбор нормализованного теплообменника.

Выполняется гидравлический расчет теплообменника. Сначала рассчитываются гидравлические характеристики для греющего теплоносителя.

Коэффициент сопротивления трения:

о1 = (1,821gRe - 1,64)-2 е_{R1. =0,111}

Объемный расход среды:

V1 = G1/с1 =0,0154 м?/с

Скорость среды в штуцере:

wy1 = 4V1/(рdy2)

Перепад давления:

?p1 = о1Lс1w12/(2d) + Уо с1w 2/2 =2,512е5 Па

Мощность электродвигателя насоса:

N1 = 10-3V1?с1/з =6,14 кВт

Аналогично выполняется расчет для нагреваемого теплоносителя.

О2 = (1,821gRe - 1,64)-2 е_{R2. =0,13}

V2 = G2/с2 =0,00223 м?/с

?p2 = о1Lс2w12/(2d) + Уо с2w 2/2 =6,204е5 Па

Производится технико-экономический расчет.

Цена теплообменника:

Ц =2,81 М0,8 =1,497х10? руб.

Цена каждого насоса:

Ц1 = 58,1 N1 0,463 =135 руб.

Ц2 = 58,1 N2 0,463 =244 руб.

Приведенные затраты:

Ps = 0,35(Ц + Ц1 + Ц2) + (N1 + N2) Цэфс =10317 руб

Запас по поверхности теплообмена:

?F = F - Fс =2,4 м?

Коэффициент компактности:

КК = F / V =8,78

Коэффициент металлоемкости:

Км = F / М =0,0123

Энергетический коэффициент:

Кe = Q / (N1 + N2) 52594

Габаритные размеры:

Высота Н=1,65 м

Ширина В=1,45 м

Длина L=1.5 м

Диаметр труб d=0.1 м

Ширина канала b=0.008 м

Длина ленты L=22.5 v

Площадь сечения канала S=0.0084 м?

Условная поверхность теплообмена F=31,5 м?

Литература:

1. Промышленные телломассообменные процессы и установки: Учебник для ВУЗов / Л.М. Бакластов, В.А. Горбенко, О.Л. Данилов и др.; Под. ред. А.М.Бакластова. - М.: Знергоатомиздат, 1986.

2. Сборник примеров И задач по тепломасоообменным процессам, аппаратам и установкам/ Л.И. Архипов, В.А, Горбенко, О.Л. Данилой, А.Л. Ефимов, С.И. Коновальцев; под рад А.Л. Ефимова, М.: Изд-во МЭИ, 1997.-116 с.

3. Сборник примеров и задач по тепломассообменным процессам, аппаратам и установкам (ч.2) / Л.И. Архипов, В.А. Горбенко, А.Л. Ефимов, А.Г. Илларионов; под ред. А.Л. Ефимова.» М: Изд-во МЭИ, 1998,-112 с.

Размещено на Allbest.ru