Проектный тепловой расчет рекуперативного теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

«ПРОЕКТНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

Исходные данные

Порядок выполнение расчета

Результаты расчета

Выводы

Литература

ВВЕДЕНИЕ

теплообменник противоточный рекуперативный трубчатый

1. Основные понятия

Теплообменный аппарат (теплообменник) - устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими средами. Теплообменные аппараты различают по назначению, принципу действия, фазовому состоянию теплоносителей, конструктивным и другим признакам.

Теплообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов. Например, получение пара заданных параметров в современном парогенераторе основано на процессе передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В конденсаторах и градирнях тепловых электростанций, воздухоподогревателях доменных печей и многочисленных теплообменных устройствах химической промышленности основным рабочим процессом является процесс теплообмена между теплоносителями. По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, генеративные и смесительные. Выделяются еще теплообменные устройства, в которых нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляется за счет внутренних источников тепла.

Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения. Примером таких аппаратов являются парогенераторы, подогреватели, конденсаторы, выпарные аппараты и др.

Регенераторы - такие теплообменные аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает теплоту от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости. Таким образом, в регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, тогда как рекуперативные теплообменные аппараты большей частью работают в стационарном режиме. Типичным примером регенеративных аппаратов являются воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей.

Так как в регенеративных и рекуперативных аппаратах процесс передачи теплоты неизбежно связан с поверхностью твердого тела, то их еще называют поверхностными.

В смесительных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей.

2. 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 произвести конструктивный, расчет противоточного теплообменника. В ходе расчета следует определить рабочую поверхность теплообменника.



Конструктивная схема теплообменника

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

1. Расход горячего теплоносителя: V_1н = 1,5 мі/с,

2. Расход холодного теплоносителя: V_2н = 1,3 мі/с,

3. Начальная температура горячего теплоносителя: t₁' = 900 єС,

4. Начальная температура холодного теплоносителя: t₂' = 15 єС,

5. Конечная температура холодного теплоносителя: t₂" = 300 єС,

6. Средняя скорость горячего теплоносителя, приведенная к нормальным условиям: щ_1н = 2,5 м/с,

7. Средняя скорость холодного теплоносителя, приведенная к нормальным условиям: щ_2н = 6,0 м/с,

8. Содержание излучающих газов в горячем теплоносителе: rco₂ = 0,11%, rн₂o = 0,14%,

9. Давление горячего теплоносителя: Р = 1,02 бар,

10. Наружный диаметр труб: d_н = 0,035 м,

11. Внутренний диаметр труб: d_в = 0,03 м,

12. Расстояние между осями труб в поперечном направлении: S₁ = 0,07м,

13. Расстояние между осями труб в продольном направлении: S₂ = 0,07м,

14. Коэффициент полезного удержания тепла: ц = 0,98

15. Тип пучка труб - шахматный,

16. Место движения горячего теплоносителя - между трубами,

17. Схема относительного движения теплоносителей - противоток,

18. Природа горячего теплоносителя - продукты горения,

20. Параметр, значением которого следует варьировать .

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЕ РАСЧЕТА

В основе расчета теплообменных аппаратов лежит два основных уравнения: уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи.

Уравнение теплового баланса

, (1)

где - количество теплоты, отданное горячим теплоносителем, Вт;

- количество теплоты принятое холодным теплоносителем, Вт;

- коэффициент полезного удержания тепла.

Уравнение теплопередачи

, (2)

где - коэффициент теплопередачи, Вт/мІК;

- среднелогарифмический температурный напор, єС;

- площадь поверхности теплообмена, мІ.

1. Тепловой поток, воспринимаемый холодным теплоносителем Q₂

Могут быть использованы две формулы:

(3)

, - значения энтальпии холодного теплоносителя при температурах t₂' и t₂", Дж/мі. Значение энтальпий приведены в приложении 1.

Дж/мі,

 Дж/мі,

Вт.

2. Температура горячего теплоносителя в конце аппарата t₁", єС

Тепловой поток, который отдается горячим теплоносителем:

, (4)

Из уравнения теплового баланса (1)

,

следует

, (5)

, - значения энтальпии горячего теплоносителя при температурах t₁' и t₁'', Дж/мі.

По расчетному значению определяется температура с помощью приложения 1.

Дж/мі,

Дж/мі,

, єС.

3. Средняя температура горячего теплоносителя , єС и , К

, (6)

, (7)

єС.

К.

4. Средняя температура холодного теплоносителя

, (8)

, (9)

, єС.

, К.

5. Средняя действительная скорость горячего теплоносителя

, (10)

, м/с.

6. Средняя действительная скорость холодного теплоносителя .

, (11)

, м/с.

7. Значения физических параметров горячего теплоносителя при его средней температуре t₁=799,66, єС

Коэффициент кинематической вязкости

мІ/с,

Коэффициент теплопроводности

Вт/м·град,

Число подобия Прандтля

Эти значения выбираются из таблицы физических параметров, относящихся к продуктам горения (приложение 2).

8. Значения физических параметров холодного теплоносителя при его средней температуре t₂=157.5, єС

мІ/с,

Вт/м·град,

Эти значения выбираются из таблицы физических параметров, относящихся к сухому воздуху (приложение 3).

9. Средняя температура стенки трубы

Поскольку трубы являются металлическими и тонкостенными, а значения коэффициента теплоотдачи по обеим сторонам стенки соизмеримы и площади внутренней и наружной поверхности стенки мало отличаются друг от друга, то из формул определения температур поверхностей стенки следует

, (12)

. (13)

,єС,

,К.

10. Среднелогарифмический температурный напор

, (14)

, єС.

11. Число Рейнольдса для потока горячего теплоносителя

(15)

Определяющей является средняя температура горячего теплоносителя.

Определяющий размер равен: ,

т.к. холодный теплоноситель движется продольно в межтрубном пространстве. Здесь - эквивалентный диаметр потока жидкости в межтрубном пространстве. Он подсчитывается по общей формуле

, (16)

где f - площадь поперечного сечения элементарного канала, образуемого смежными трубами,

П - длина смоченного периметра труб.

После подстановки значений f и П через заданные геометрические параметры S₁, S₂ и d_н формула принимает вид

, (17)

,м

Re > 10000 (турбулентный режим)

12. Коэффициент теплоотдачи конвективный от горячего теплоносителя к стенке трубы

Т.к. теплоноситель движется между труб, расположенных в шахматном пучке, то используем следующее уравнение подобия теплоотдачи:

, (18)



По числу Нусельта подсчитывается конвективный коэффициент теплоотдачи

, (19)

Вт/мІ·град.

13. Коэффициент теплоотдачи излучением от горячего теплоносителя к стенке трубы

Сначала следует определить парциальные давления излучающих газов Рсо₂ и Рн₂о. Они составляют

, (20)

, (21)

Затем подлежит определению эффективная толщина газового слоя. Горячий теплоноситель движется между труб, значит:

, (22)

Далее определяются произведения парциальных давлений излучающих газов на эффективную толщину газового слоя

, (23)

. (24)

В зависимости от средней температуры горячего теплоносителя и произведений парциальных давлений СО₂ и Н₂О на эффективную толщину излучаемого слоя, определяют степень черноты этих газов есо₂ и ен₂о. Применительно СО₂ такая зависимость приведена в приложении 5. Что касается ен₂о, то она составляет

(25)

При этом ен₂o' и в определяются по графикам, представленным соответственно в приложениях 6,7.

Полная степень черноты горячего теплоносителя составляет

(26)

Приведенная степень черноты системы «газ-труба» может определяться по следующей приближенной формуле

, (27)

где - степень черноты поверхностей труб,равная 0.8

Коэффициент теплоотдачи излучением составляет

, (28)

 бар,

бар,

м,

бар·м,

бар·м,

,

,

,

,

,

,

,

Вт/мІ·К⁴ (постоянная Больцмана),

Вт/мІ·град

14. Суммарный коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке трубы

. (29)

Вт/мІ·град

15. Число Рейнольдса для потока холодного теплоносителя

(30)

Определяющей является средняя температура холодного теплоносителя.

Определяющий размер равен: , т.к. холодный теплоноситель движется внутри трубы

( )

16. Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к холодному теплоносителю

Т.к. теплоноситель движется вдоль труб, используем уравнение теплоотдачи:

(31)

(переходная область)

В = 32.82.

По числу Нусельта подсчитывается коэффициент теплоотдачи

. (32)

Вт/мІ·град

17. Коэффициент теплопередачи

Коэффициент теплопередачи через стенки металлических труб можно рассчитывать по формулам плоской стенки, пренебрегая при этом тепловым сопротивлением теплопроводности через эту стенку

(33)

Вт/мІ·град

18. Площадь поверхности теплообмена

. (34)

мІ.

19. Коэффициент полезного действия

Используемая теплоемкость горячего теплоносителя

,(35)

где -объемная изобарная теплоемкость горячего теплоносителя, средняя в заданном интервале температур от t₁' = 900 єС до t₁" = 699.3єС

, (36)

Значения объемной изобарной теплоемкости для продуктов горения выбираются из таблицы 8.

,кДж/мі·К

, кВт/єС

Используемая теплоемкость холодного теплоносителя

, (37)

где -объемная изобарная теплоемкость холодного теплоносителя, средняя в заданном интервале температур от t₂' = 15 єС до t₂" = 300 єС

Значения объемной изобарной теплоемкости для холодного теплоносителя выбираются из таблицы 8.

(38)

, кДж/мі·К

, кВт/єС

Таким образом <

Коэффициент полезного действия

(39)

РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА

щ1н, м/с	2	2,25	2,5	2,75	3
F, мІ	48,07	46,9	45,86	45,02	44,26

По полученным данным строим графическую зависимость F=f(щ_1н).

ВЫВОДЫ

В данном курсовом проекте был произведен конструкторский тепловой расчет противоточного рекуперативного трубчатого теплообменника. Были определены основные габаритные параметры теплообменника.

По результатам расчета была построена графическая зависимость площади теплообменника от средней скорости горячего теплоносителя. Из него можно сделать вывод, что с увеличением скорости горячего теплоносителя площадь уменьшается.

ЛИТЕРАТУРА

1. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М.: Энергия, 1975. - 486с.

2. Михеев М.А., Михеева И.В. Основы теплопередачи. - М.: Энергия, 1973 - 344с.

3. Безверхний П.А. Основы теории подобия и основы теории массообмена. Конспект лекций. - Днепропетровск: ДМетИ, 1973. - 95с.

4. Болгарский А.В., Мукачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. - М.: Высш.шк., 1975. - 495с.

5. Краснощеков Е.А., (Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. - М.: Энергия, 1975. - 288 с.

6. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. - М.Л.: Госэнергоиздат, 1968. - 331 с.

7. Тепловой расчет котельных агрегатов. Нормативный метод. /Под. ред. Кузнецова Н.В. - М.: Энергия, 1973 - 295с.

8. Рабинович О.М. Сборник задач по технической термодинамике. - М.: Машиностроение, 1969 - 376 с.

9. Якоб М. Вопросы теплопередачи. - м.: Изд-во иностранной литературы, 1960. - 517 с.

10. Хоблер Т. Теплопередача в теплообменники. - Л.: Госхимиздат, 1961. - 820 с.

11. Справочник теплоэнергетика предприятий цветной металлургии / Под ред. О.Н.Багрова, З.Л.Берлина. М.: Металлургия, 1982.

12. Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент: Справочник/ Под. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1982.

13. Теплоэнергетика и теплотехника: Общие вопросы: Справочник / Под. ред. В.А. Григорьева и В.М. Зорина. М.: Энергоиздат, 1986.

Размещено на www.allbest.ru