Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов компрессорных установок

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский государственный политехнический университет

Кафедра теоретических основ теплотехники

Курсовая работа

Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов компрессорных установок

Студент:

Скосарь А.И.

Преподаватель:

Можайский С.А.

Санкт - Петербург

2014г



Введение

воздухоохладитель температурный теплообмен труба

Теплообменные аппараты различных типов широко используются почти во всех отраслях промышленности. По принципу действия теплообменные аппараты делятся на рекуперативные, регенеративные и смесительные. В рекуперативных аппаратах теплота от одного теплоносителя к другому передается через неподвижную твердую стенку, и процесс теплообмена в них можно считать стационарным. Регенеративные аппараты работают в нестационарных (циклических) условиях, когда горячий и холодный теплоносители поочередно омывают поверхности аккумулятора теплоты. При этом аккумулятор в первой части цикла отбирает теплоту от горячего теплоносителя, а во второй части цикла отдает холодному. В смесительных аппаратах передача теплоты происходит за счет непосредственного смещения горячего и холодного теплоносителей.

Из всего многообразия типов и конструкций теплообменных аппаратов в качестве объекта теплового и гидравлического расчета выбираем рекуперативные воздухоохладители.

Воздухоохладители играют важную роль в энергомашиностроении и широко применяются в компрессорных установках.



1. Исходные данные

Введем обозначения: «1» - воздух, «2» - вода, « ґ » - вход, « ґґ» - выход.

Принимаем: 1) Турбинный пучок - шахматный.

2) Схема движения теплоносителей перекрестная, противоточная, предполагаем число ходов , число рядов .

3) Трубы монометаллические с ореберением, ребра выбраны постоянной толщины ( где - толщина ребра у основания, - толщина ребра у вершины).

4) Для начала расчета коэффициент теплоотдачи воды принимаем равным значению , в дальнейшем уточним его.

Исходные данные.

Таблица 1.1

G1,кг/с	,кПа				е	ф,час	N пучка	(d-dв)/2, мм ()		Материал
20	2,4	91	14	20	0,91	4000	14	1	4,2	Мельхиор

Выбираем вариант 3, так как данный вариант обеспечивает наименьшую массу.

Тепловая эффективность воздухоохладителя равна [1, c.20]:

(1.1)

Посчитаем температуру :

= ,

где = , при =293 К , = Па, = 2,4* Па ,

таким образом, получаем : =91°С.

Температура воздуха на выходе:

. (41), стр.24

На основании анализа вариантов геометрических характеристик пучков(приложение1), выбираем вариант № 3, как самый экономически рентабельный.

Таким образом, имеем [1, c.37]:

Таблица 1.2 Характеристики шахматных пучков, составленных из трубок с непрерывными спиральными ребрами.

№ варианта
	мм
3	10,7	21,9	0,48	2,9	24,8	20,3



2.Тепловой расчет

2.1 Выбор теплофизических свойств воды и воздуха и определение среднелогарифмического температурного напора

Среднелогарифмический температурный напор равен [1, c.14]:

, (2.1)

где и - большая и меньшая из и

Для противоточной схемы движения теплоносителей а

Тогда, среднелогарифмический температурный напор, согласно (2.1) равен:

Определим теплофизические свойства для воздуха и воды по средней температуре:

;

По значениям определим физические свойства воды и воздуха, используя таблицу [1, c.69]:



Таблица 2.1

Физические свойства воздуха при давлении 760 мм рт. ст. и температуре .

,кДж/(кг*К)	, Вт/(м*К)	, Па*с	б1, м2/с
1,005	0,0284	0.0000197	26*10-6

Найдем плотность воздуха, , и кинематический коэффициент вязкости,

Таблица 2.2

Физические свойства воды при давлении 760 мм рт. ст. и температуре .

999,4	65,0	4,187	58,2	14,0	1160	1,162	8,61

2.2 Расчёт количества теплоты, передаваемого через поверхность теплообмена, и расхода воды

1) Запишем уравнение теплового баланса [1, c.12]:

. (2.2)

Тогда,

2) И теперь можем найти расход воды:

2.3 Расчёт поверхности теплообмена на основе уравнения теплоотдачи

1)Уравнение теплоотдачи [1, c.13]:

(2.3)

Коэффициент теплоотдачи равен [1, c.38]:

(2.4)

где - термодинамическое сопротивление слоя загрязнения, которое для времени работы без очистки 4000 часов [1,с. 51].

2)Определим внутренний диаметр труб:

3)Критериальное уравнение для шахматного пучка труб имеет вид [1, c.48]:

(2.5)

где ; - число Рейнольдса; - коэффициент оребрения; - поправочный коэффициент на число рядов в пучке; - коэффициент формы пучка.

Рис. 2. Элемент оребренной алюминиевой трубки

4) Характерные площади:

Площадь сжатого сечения:

(2.6)

Площадь поверхности ребра:

(2.7)

Определим полную поверхность оребрения трубы:



5) Характерный линейный размер[1.с.48]:

(2.8)

6)Находим коэффициент оребрения [1.с.30]:

(2.9)

7) Тогда можно найти критериальные коэффициенты для воздуха[1.с.46]:

(2.10)

8) Для определения числа Нуссельта (2.5) найдем:

8.1) Определим n [1.с.49]:

(2.11)

8.2) Поправка на число рядов: [1.с.49].

8.3) Коэффициент формы пучка [1.с.48]:



(2.12)

где - безразмерные шаги, определяющиеся следующим образом:

S₂'=

j

Рис. 3. Вид шахматного трубного пучка

Вернувшись к (2,5), определим число Нуссельта для воздуха:

9)Отсюда найдем коэффициент теплоотдачи для воздуха[1.с.46]:



10)Условное осредненное значение коэффициента теплоотдачи [1.с.45]:

(2.13)

где - поправочный коэффициент;

,

- поправочный коэффициент трапециевидных рёбер; - коэффициент эффективности круглых рёбер постоянного сечения.

Так как рёбра постоянного сечения, то .

Коэффициент эффективности круглых рёбер, E определяется поправочными коэффициентами, которые найдем ниже:

Для этого[1.с.42]:

где

Теплопроводность ребра [1, c.69], тогда:

Отношение: , , значит по рис. 15 [1.с.42]:

Найдем [1.с.45]:

По формуле (2.13) определим приведенный коэффициент теплоотдачи:

11)Подставив в исходное уравнение (2.4) найденные величины, получим:

12) Площадь гладких труб, несущих оребрение [1.с.13]:

Рис. 4. Элемент фронтального сечения трубного пучка.



2.4 Определение площади проходного сечения шахматного пучка труб

1) Коэффициент фронтального загромождения [1.с.36]:

(2.14а)

2) Коэффициент диагонального загромождения

(2.14б)

3) Площадь проходного сечения без загромождения:

(2.15)

4) Площадь проходного сечения с загромождением:

(2.16)

2.5 Определение объема и геометрических размеров воздухоохладителя

1) По полученным данным можно сказать, что сечение квадратное



(2.17)

2) Число труб в одном ряду [1.с.35]:

(2.18)

3) Число рядов по глубине воздухоохладителя [1.с.35]:

(2.19)

Примем величину z, равной 21, так как у нас есть возможность варьировать ею.

4) Глубина воздухоохладителя [1.с.35]:

(2.20)

2.6 Расчет скорости воды на основе результата теплового расчета

1) Суммарное сечение трубок по воде:

(2.21)

2) Определение скорости воды:



(2.22)

3) Найдем число Нуссельта для воды [1.c.46]:

(2.23)

4) Тогда число Рейнольдса будет равно [1.с.50]:

(2.24)

5) Определим число ходов[1.с.24]:

(2.25)



3. Гидравлический расчет

3.1 Гидравлический расчет воздуха

1) Средняя по теплообменнику скорость [1.с58]:

(3.1)

2) Гидравлический диаметр и среднее число Рейнольдса для воздуха:

(3.2)

3) Коэффициент сопротивления одного ряда труб [1.с.60]:

(3.3)

4) Дополнительный условный коэффициент сопротивления [1.с.58]:

(3.4)

5) Коэффициент сопротивления для шахматного пучка [1.с.60]:

(3.5)



6) Полный коэффициент сопротивления воздушного тракта для шахматного пучка [1.с.60]:

(3.6)

9) Средняя плотность воздуха:

-86 (3.7)

8) Потери давления [1.с.54]:

(3.8)

9)Затраты мощности на прокачку воздуха через пучок:

(3.9)

3.2 Гидравлический расчет воды

1) Эквивалентная шероховатость трубы, табл.4 [1.с. 55]:

2) Относительная шероховатость [1.с. 54]:

(3.10)

3)Коэффициент трения трубы [1.с. 55]:



(3.11)

4) Суммарный коэффициент сопротивления для воды [1.с. 56]:

(3.12)

5) Для ходов:

6) Потери давления

(3.13)

7) Мощность насоса для прокачки воды через воздухоохладитель

(3.14)



4. Результаты расчётов

4.1 Массогабаритные показатели

Определим объём участка трубы длиною , пользуясь,:

Определим объём трубы длиною L_тр=1м:

Найдем массу трубы длинной L_тр=1м:

где - плотность мельхиора; из таблицы

Определим массу теплообменника:

Рассчитаем объём теплообменника:



Рис. 5. Эскиз теплообменника.

4.2 Таблица расчётных данных

Таблица 4.1

91	21	14	20	0,96	0,5	0,96	20	56	2,2	1	2	406,8	0,461	21,5	1,52

Рис. 6. График потерь в зависимости от скорости.



Список литературы

1. Гавра Г. Г.,. Михайлов П. М., Рис В. В. Тепловой и гидравлический расчёт теплообменных аппаратов компрессорных установок. - Ленинградский политехнический институт имени М.И. Калинина, 1982 г.

Размещено на Allbest.ru

...