Методика предварительного теплового расчета и выбора оптимального теплообменного аппарата
Тепловой конструктивный расчет рекуперативного кожухотрубчатого теплообменника. Расчет количества передаваемого тепла. Интенсивность процессов теплообмена. Гидравлический, тепловой расчет пластинчатого теплообменника. Расчет гидравлического сопротивления.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | курсовая работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.10.2013 |
| Размер файла | 115,9 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Содержание
- Введение
- 1. Тепловой конструктивный расчет рекуперативного кожухотрубчатого теплообменника
- 1.1 Расчет количества передаваемого тепла
- 1.2 Определение интенсивности процессов теплообмена
- 1.2.1 Расчет интенсивности теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя
- 1.2.2 Расчет интенсивности теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя
- 1.3 Определение коэффициента теплопередачи
- 1.4 Определение расчетной площади поверхности теплообмена
- 1.5 Конструктивный расчет теплообменного аппарата
- 1.6 Определение температуры поверхности стенок трубы
- 1.7 Гидравлический расчет теплообменника
- 1.8 Определение толщины тепловой изоляции
- 2. Тепловой расчет пластинчатого теплообменника
- 2.1 Определение расходов и скоростей греющего и нагреваемого теплоносителя
- 2.2 Расчет интенсивности теплообмена при движении теплоносителей между пластинами
- 2.3 Определение площади поверхности теплообмена
- 2.4 Расчет гидравлического сопротивления
- Заключение
- Литература
Введение
Выполнение курсовой работы по курсу "Тепломассообмен" позволяет закрепить и углубить знания по основным разделам курса, а также приобрести навыки применения теоретических знаний при решении теплотехнических задач.
В данном курсовом проекте производится тепловой конструктивный расчет кожухотрубчатого теплообменного аппарата при заданных начальных температурах и массовых расходах греющего и нагреваемого теплоносителей.
На основании теплового расчета по полученной площади поверхности теплообмена при заданном типоразмере трубок выбрать из каталога наиболее подходящий стандартный теплообменник. Затем производится конструктивный и гидравлический расчет выбранного теплообменного аппарата.
Также производим расчет необходимой толщины тепловой изоляции.
Во второй части курсового проекта выполняем тепловой и гидравлический расчет пластинчатого теплообменника.
Рассчитываемые в работе теплообменники относятся к аппаратам рекуперативного принципа действия - горячая и холодная среда протекает одновременно и теплота передается через разделяющую их стенку (котлы, испарители, конденсаторы).
1. Тепловой конструктивный расчет рекуперативного кожухотрубчатого теплообменника
Исходные данные:
температура греющего теплоносителя на входе в аппарат:
температура нагреваемого теплоносителя на входе в аппарат:
изменение температуры нагреваемого теплоносителя в аппарате:
массовый расход греющего теплоносителя:
массовый расход нагреваемого теплоносителя:
диаметр труб: ,
длинна труб (предварительная):
материал труб: сталь углеродистая
качество воды: загрязненная
схема движения теплоносителя: противоток
1.1 Расчет количества передаваемого тепла
Уравнение теплового баланса для теплообменного аппарата имеет вид:
где:
Q1, Q2 - количество теплоты в единицу времени, соответственно отданное греющим и полученного нагреваемым теплоносителем;
ДQ - потери теплоты в окружающую среду.
Так как по условию ДQ=0, то количество передаваемого тепла в единицу времени через поверхность нагрева аппарата находим по формуле:
, где:
ср1, ср2 - средние удельные массовые изобарные теплоемкости греющего и нагреваемого теплоносителей в интервале изменения температур t/, t // соответственно.
Определение конечной температуры второго теплоносителя:
Тогда средняя температура составит:
Определяем теплофизические свойства второго теплоносителя при средней температуре методом линейной интерполяции из таблицы м/ук:
теплоемкость: , плотность:
коэффициент теплопроводности:
коэффициент кинетической вязкости:
критерий Прандтля:
Определяем тепловую нагрузку второго теплоносителя:
Определяем теплоемкость первого теплоносителя при начальной температуре методом линейной интерполяции из таблицы м/ук:
Определяем конечную температуру первого теплоносителя из уравнения теплового баланса:
Тогда средняя температура составит:
Определяем теплофизические свойства первого теплоносителя при средней температуре:
теплоемкость:
плотность:
коэффициент теплопроводности:
коэффициент кинетической вязкости:
критерий Прандтля:
Определяем тепловую нагрузку первого теплоносителя:
Определяем невязкость теплового баланса:
< 3% - условие соблюдается
1.2 Определение интенсивности процессов теплообмена
В основу расчета коэффициентов теплопередачи между теплоносителем и поверхностью стенки положены критериальные уравнения, полученные в результате обработки многочисленных экспериментальных данных и их обобщение на основе теории подобия.
1.2.1 Расчет интенсивности теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя
В первом приближении температура стенки составляет: - по которой из таблицы в м/ук определяем критерий Прандтля, который равен
Среднюю скорость движения теплоносителя в трубах рекомендуется применять в пределах 1-3 м/с, w1=2м/c.
Тогда вычисляем критерий Рейнольдса:
В результате сравнения вычисленного значения с критическим числом Re=2300, устанавливается режим течения и выбирается критериальное уравнение для расчета числа Нуссельта. Интенсивность теплоотдачи в круглых трубках зависит от режима движения теплоносителя. Так как Re1>2300, режим движения жидкости турбулентный и число Нуссельта определяется по следующей критериальной зависимости:
Тогда коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя определяется:
1.2.2 Расчет интенсивности теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя
Среднюю скорость движения теплоносителя в межтрубном пространстве рекомендуется принимать в пределах 1-3 м/с, w1=2м/c.
Тогда вычисляем критерий Рейнольдса:
В результате сравнения вычисленного значения с критическим числом Re=1000, устанавливается режим течения и выбирается критериальное уравнение для расчета числа Нуссельта. Интенсивность теплоотдачи в круглых трубках зависит от режима движения теплоносителя. Так как Re2>1000, режим движения жидкости турбулентный и число Нуссельта определяется по следующей критериальной зависимости:
Тогда коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю определяется:
1.3 Определение коэффициента теплопередачи
Термическое сопротивление слоев загрязнений с обеих сторон стенки определяется из таблицы м/ук:
,
Толщина стенки составляет:
Коэффициент теплопроводности стенки находим из таблицы м/ук по температуре стенки:
Если dН/dВ < 2, то коэффициент теплопередачи для плоской поверхности теплообмена с достаточной точностью определяется по формуле:
Расчетная величина входит в установленный предел.
1.4 Определение расчетной площади поверхности теплообмена
В аппаратах с прямо - или противоточным движением теплоносителей средняя разность температур определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата:
При сложном взаимном движении теплоносителей, например, при смешанном и перекрестном токе в многоходовых теплообменниках, средняя разность температур теплоносителей определяется с учетом поправки. Для нахождения поправочного коэффициента вычисляются вспомогательные коэффициенты: P, R, з, д.
,
,
Тогда для параллельно смешанного тока теплоносителей с одним ходом в межтрубном пространстве и двумя ходами по трубам поправочный коэффициент рассчитывается по формуле:
Седняя разность температур составит:
Поверхностная плотность теплового потока составит:
Из основного уравнения теплопередачи определяется необходимая поверхность теплообмена:
По рассчитанной площади и заданному диаметру труб выбираем стандартный теплообменный аппарат из таблицы в м/ук, характеристики которого сводятся в таблицу.
Таблица 1 - Сводная таблица характеристик теплообменного аппарата
|
Диаметр кожуха D, мм |
Размеры труб, мм |
Количество ходов по трубам |
Общее число труб |
Площадь поверхности теплообмена F, м2, при длине труб L=6000 мм |
Площадь сечения в вырезе перегородок f, м2 |
Площадь сечения потока между перегородками f2, м2 |
Площадь проходного сечения одного хода по трубам f1, м2 |
|
|
400 |
25х2 |
2 |
100 |
47,0 |
0,020 |
0,025 |
0,017 |
Пересчитываются скорости движения и критерии Рейнольдса для греющего и нагреваемого теплоносителей:
Строим график зависимости температур теплоносителей от площади поверхности нагрева.
1.5 Конструктивный расчет теплообменного аппарата
Определяется число труб в теплообменнике:
По условию трубы по сечению трубной решетки расположены по вершинам равносторонних треугольников. Количество трубок, расположенных по сторонам большего шестиугольника:
Количество трубок расположенных по диагонали шестиугольника:
Число рядов труб, омываемых теплоносителем в межтрубном пространстве, приближенно можно вычислить:
тепловой расчет теплообменник гидравлический
Для стандартных труб с наружным диаметром 16, 20, 25, 38, 57 мм, размещенных по вершинам равносторонних треугольников, при развальцовке (1,3-1,6 dн) и сварке (1,25 dн) принимают шаг между трубами соответственно:
Рассчитанную величину шага между отверстиями в трубной решетке сравнивают со стандартными значениями в таблице м/ук.
Принимаем коэффициент заполнения трубной решетки от 0,6-0,8:
Вычисленные значения n и D сопоставляем со стандартными величинами.
1.6 Определение температуры поверхности стенок трубы
Термическое сопротивление теплоотдачи от греющего теплоносителя к поверхности загрязнений:
Термическое сопротивление слоя отложений со стороны греющего теплоносителя:
Термическое сопротивление стенки трубы:
Термическое сопротивление слоя отложений со стороны нагреваемого теплоносителя:
Термическое сопротивление теплоотдачи от стенки загрязнений к нагреваемому теплоносителю:
Аналитическая температура стенок трубы определяется по формулам:
Для проверки температуру стенки определяют графическим способом по графику из м/ук.
1.7 Гидравлический расчет теплообменника
Целью гидравлического расчета является определение величины потери давления теплоносителей при их движении через теплообменный аппарат.
Коэффициент трения вычислим по следующей формуле, приведенной ниже:
Примем высоту выступов шероховатостей
Тогда определим гидравлическое сопротивление трения:
Зададим коэффициенты местных сопротивлений трубного пространства по таблице из м/ук.
Входная и выходная камеры:
Поворот между ходами:
Вход в трубы и выход из них:
Суммарный коэффициент местных сопротивлений трубного пространства:
Тогда потери давления, обусловленные наличием местных сопротивлений составят:
Величина потерь давления греющего теплоносителя в теплообменном аппарате:
Зададим коэффициенты местных сопротивлений межтрубного пространства:
Вход и выход жидкости . Поворот через сегментную перегородку . Определим число сегментных перегородок по таблице в м/ук при D=400мм и L = 6,0м: х=22
Коэффициент сопротивления пучка труб определим по формуле:
Тогда сумма коэффициентов местных сопротивлений межтрубного пространства составит:
Величина потерь давления нагреваемого теплоносителя в межтрубном пространстве:
1.8 Определение толщины тепловой изоляции
Тепловая изоляция представляет собой конструкцию из материалов с малой теплопроводностью, покрывающую наружные поверхности оборудования, трубопроводов для уменьшения тепловых потерь.
Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции и от поверхности изоляции в окружающую среду:
где: t // ст=350С - температура изоляции со стороны окружающей среды, которая не должна превышать 450С, согласно требований техники безопасности;
бв=5Вт/м2С - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности теплоизоляции в окружающую среду принимаем от 5 до 20 Вт/м2С;
t/ст=t2=52,50C температура изоляции со стороны аппарата, ввиду незначительного термического сопротивления стенки аппарата по сравнению с термическим сопротивлением изоляции принимаем равной средней температуре нагреваемого теплоносителя;
tв=200С температура окружающей среды, принимаем для изолируемых поверхностей, расположенных в помещении.
Вычислим среднюю температуру теплоизоляционного материала:
Тогда, если в качестве изолятора принять полотно стеклянное теплоизоляционное марки ИПС-Т-1000, ТУ 6-11-570-83, то коэффициент теплопроводности изолятора определится по формуле:
Толщина тепловой изоляции составит:
2. Тепловой расчет пластинчатого теплообменника
Исходные данные:
нагрузка на отопление (ГВС) - Q=654420,00 Вт;
температура греющего теплоносителя на входе и выходе аппарата - t/1=95,000С, t // 1=63,800С;
температура нагреваемого теплоносителя на входе и выходе аппарата - t/2=45,000С, t // 2=60,000С;
принять равное число параллельных каналов в пакете для греющего и нагреваемого теплоносителя.
2.1 Определение расходов и скоростей греющего и нагреваемого теплоносителя
По максимальному расходу выбирается тип пластин и их параметры:
тип пластины - 0,3р
толщина стенки - дст=0,001 м
площадь поверхности теплообмена - fпл=0,3 м2
смачиваемый периметр в поперечном сечении канала - Р=0,66 м
приведенная длина канала - l=1,12 м
Определим эквивалентный диаметр сечения канала:
При расчете пластинчатого водонагревателя оптимальная скорость теплоносителя принимается исходя из получения таких же потерь давления в установке по нагреваемой воде, как при применении кожухотрубчатого водонагревателя (100-150кПа), что соответствует скорости воды в каналах (0,03-0,5) w1=0,065 м/с.
Число каналов в пакете
Скорость второго теплоносителя:
2.2 Расчет интенсивности теплообмена при движении теплоносителей между пластинами
Критерий Рейнольдса:
Так как Re > 50, то режим течения - турбулентный.
Определим критерий Нуссельта:
Соответственно вычислим коэффициенты теплоотдачи:
2.3 Определение площади поверхности теплообмена
Принимаются значения термических сопротивлений слоев загрязнений с двух сторон стенки по таблице в м/УК
В качестве материала для пластин и патрубков - сталь 12Х18Н10Т. По средней температуре стенки определяем коэффициент теплопроводности стенки:
Коэффициент теплопередачи
Расчетная поверхность теплообмена
Фактическая поверхность теплообмена
Запас поверхности
2.4 Расчет гидравлического сопротивления
Коэффициент общего гидравлического сопротивления
Заключение
Выполнили требуемый тепловой, конструктивный и гидравлический расчеты рекуперативных теплообменных агрегатов. Закрепили знания по курсу "Тепломассообмен". Научились применять теоретические знания по решению задач теплоэнергетики.
В данном курсовом проекте была применена методика предварительного теплового расчета и выбора оптимального теплообменного аппарата.
По предварительно рассчитанной поверхности нагрева из каталога были подобраны соответствующие подогреватели, по поверхности оптимально подходящего был произведен конструктивный расчет.
Литература
1. Нащекин В.В. "Техническая термодинамика и теплопередача"
2. Лебедев П.Д., Юренев В.Н. "Теплотехнический справочник", - М.: Энергия, 1975
3. Овсянник А.В. методические указания по курсу "Термодинамика и теплоустановки", - Гомель, ГГТУ, 2004
4. Григорьев И.А., Зорин В.М. "Промышленная теплопередача и теплотехника", Справочник, - М.: Энергоатомиздат, 1991
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Литозбор по использованию вторичного тепла. Тепловой расчет рекуперативного теплообменника. Выбор основного оборудования: вентилятора, насосов. Оценка гидравлического сопротивления. Подбор вспомогательного оборудования. Контрольно-измерительные приборы.
курсовая работа [331,7 K], добавлен 01.03.2013Расчет тепловой нагрузки и теплового баланса аппарата. Определение температурного напора. Приближенная оценка коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и поверхности нагрева. Выбор кожухотрубчатого и пластинчатого теплообменника из стандартного ряда.
курсовая работа [668,6 K], добавлен 28.04.2015Конструкция и принцип работы подогревателя сетевой воды. Теплопередача при конденсации и движении жидкости по трубам. Оценка прочности крышки теплообменника. Тепловой, гидравлический и прочностной расчет параметров рекуперативного теплообменного аппарата.
курсовая работа [186,8 K], добавлен 02.10.2015Расчет тепловой нагрузки аппарата, температуры парового потока, движущей силы теплопередачи. Зона конденсации паров. Определение термических сопротивлений стенки, поверхности теплопередачи. Расчет гидравлического сопротивления трубного пространства.
контрольная работа [76,7 K], добавлен 16.03.2012Конструкция теплообменника ГДТ замкнутого цикла. Определение потери давления теплоносителя при прохождении его через аппарат. Тепловой, гидравлический расчет противоточного рекуперативного теплообменника газотурбинной наземной установки замкнутого цикла.
курсовая работа [585,3 K], добавлен 14.11.2012Тепловой, конструктивный и гидравлический расчет кожухотрубного теплообменника. Определение площади теплопередающей поверхности. Подбор конструкционных материалов и способ размещения трубных решеток. Выбор насоса с необходимым напором при перекачке воды.
курсовая работа [1,0 M], добавлен 15.01.2011Конструктивный, тепловой, гидравлический и аэродинамический расчеты змеевикового экономайзера парового котла для подогрева питательной воды. Определение гидравлического сопротивления элементов теплообменного аппарата, изменения энтальпии теплоносителя.
курсовая работа [145,8 K], добавлен 16.03.2012Тепловой и конструктивный расчет отопительного пароводяного подогревателя горизонтального типа и секционного водоводяного теплообменника. Подбор критериальных уравнений для процессов теплообмена. Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи.
курсовая работа [1,7 M], добавлен 15.12.2010Тепловой баланс котельного агрегата, расчет теплообмена в топке и теплообмена пароперегревателя. Теплосодержание газов на входе и выходе, коэффициент теплоотдачи конвекцией. Расчет водяного экономайзера, воздухоподогревателя, уточнение теплового баланса.
практическая работа [270,8 K], добавлен 20.06.2010Определение характера течения горячего и холодного теплоносителей в каналах теплообменника. Выбор вида критериального уравнения для потоков. Составление уравнения теплового баланса. Нахождение поверхности нагрева рекуперативного теплообменного аппарата.
практическая работа [514,4 K], добавлен 15.03.2013
