Расчет теплообменника для систем горячего водоснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

Южно-Уральский государственный университет

(Национальный исследовательский университет)

Институт «Архитектурно-строительный институт»

Факультет «Заочный»

Кафедра «Градостроительство, инженерные сети и системы»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: «Методы решения задач теплообмена»

ЮУрГУ-13.03.01.2017.362.14 КП

Руководитель:

Иванов Д.А.

Челябинск 2017



Оглавление

1. Исходные данные

2. Расчет и подбор кожухотрубного теплообменного аппарата

3. Расчет и подбор пластинчатого теплообменного аппарата

4. Подбор пластинчатого теплообменного аппарата по программе «Ридан»

Заключение

Список литературы



1. Исходные данные

Вариант 14.

Нагрузка Q=165,1 кВт

Температура греющая : на входе t?1=101°С

на выходе t"1=70°С

Температура нагреваемая : на входе t?2=60°С

на выходе t"2=90°С

Для указанных исходных данных рассчитать (сконструировать) кожухотрубный теплообменник для схемы включения «противоток». Тип используемых для конструирования секций выбрать, исходя из наилучшего приближения к оптимальной скорости течения теплоносителей. Вычислить фактическую теплопроизводительность (мощность) теплообменника.

Для тех же исходных данных рассчитать (сконструировать) пластинчатый теплообменник для схемы включения «противоток». Вычислить фактическую теплопроизводительность (мощность) теплообменника.

Выполнить чертежи :

а) общего вида кожухотрубного теплообменника и пластинчатого теплообменника;

б) вида торцевой поверхности секции кожухотрубного теплообменника;

в) вида, иллюстрирующего внутреннее пространство секции кожухотрубного теплообменника;

г) принципиальную схему обвязки пластинчатого теплообменника.

кожухотрубный пластинчатый теплообменник противоток

2. Расчет и подбор кожухотрубного теплообменного аппарата

Тепловые потери в подогревателях принимаются от 5 до 9 %. При расчете примем потери 7%

1. Коэффициент использования тепла: Кисп. =100-=100-7=93%=0,93

2. Тепловая мощность, воспринимаемая холодным теплоносителем :

Qв=Q*=165,1*0,93=153,54 кВт.

3. Тепловая мощность, теряемая в окружающую среду :

Qп=Q- Qв=165,1-153,54 =11,56 кВт.

Принимаем установку теплообменника по прямоточной схеме

4. Температурный перепад между теплоносителями на концах аппарата при прямотоке, °С: t б= t1?- t2=101-60=41°С ; t м= t"2- t"1=90-70=20°С

5. Средний температурный напор при прямотоке, °С:

6. Изменение температуры теплоносителя :

а) горячего : t 1= t1?- t"1=101-70=31°С.

б) холодного : t 2= t"2- t2=90-60=30°С.

7. Средняя температура теплоносителя :

а) горячего : t 1=0,5*( t1?+ t"1)= 0,5*(101+70)=85,5°С.

б) холодного : t 2=0,5*( t"2+t2)=0,5*(60+90)=75°С.

8. Физические параметры теплоносителя:

а) горячего при t1=85,5°С:

1=968,2кг/м3; ср1=4,202кДж/(кг*К) ; 1=67,73 *10-2Вт/(м*К);

1=0,344 *10-6м2/с; 1=6,67*10-4 1/К ; Pr1=2,067

б) холодного при t2=75°С:

2=974,8 кг/м3; ср2=4,191кДж/(кг*К); 2=67,1 *10-2 Вт/(м*К);

2= 0,39 *10-6м2/с ; 2=6,01*10-41/К; Pr2=2,38.

Источник: Е.А. Краснощеков, А.С. Сукомел «Задачник по теплопередаче», Москва, Энергия, 1980, Приложение, таблица 11, стр. 264

9. Массовый расход теплоносителя:

а) горячего: 1=Q /( ср1*t1)= 165,1/( 4,202*31)= 1,27кг/с

б) холодного : 2=Qв/ср2*t2)= 153,54/ (4,191*30)= 1,2211 кг/с

или 2=3,6*1,2211=4,395т/ч.

10. Расходу 2=4,395 т/ч соответствует теплообменник типоразмера ПВ1-57х2-Г-1,6; количеством n=4 трубок dв 16х1 в одной секции, для расхода холодного теплоносителя 4,4 т/ч, изготовлен по ГОСТ 27590-2005. У3 Корпус аппарата Dн 57 изготовлен из трубы Ду50 ГОСТ8732 .

Отсюда внутренний диаметр аппарата составляет D=50 мм.

11.Площадь проходного сечения межтрубного пространства :

f1=0,785(D2-ndн2)= 0,785*(0,052-4*0,0162)= 0,0012 м2

12. Площадь проходного сечения трубок :

f 2=0,785 ndв2=0,785*4*0,0142=0,00062 м2

13. Скорость движения теплоносителей:

а) горячего: w1=1/( f1*1)= 1,27/(0,0012*968,2)= 1,093 м/с

б) холодного : w 2=2/( f2*2)= 1,2211/(0,00062*974,8)= 2,035 м/с

14. Эквивалентный диаметр:

а) труб круглого сечения dэкв2=dв=0,014 м

б) межтрубного пространства dэкв1= ==0,0129 м

15. Критерий Рейнольдса для теплоносителя:

а) горячего: Re1= w1* dэкв1/1= 1,093*0,0129/(0,344*10-6)= 40987,5

б) холодного : Re2= w2* dэкв2/2= 2,035*0,014/(0,39*10-6)= 73051,3

16. Температура стенки tс=( t1 + t2 )/2=(85,5+75)/2=80,2580°C

17. Критерий Прандтля по температуре стенки tс=80°C Prс=2,21

(источник см.п.8)

18. Температурный напор:

горячая вода- стенка дt1=( t1- tс)= 85,5-80,25=5,25°С

холодная вода-стенка дt2=( tс- t2)= 80,25-75=5,25°С

19. Критерий Нуссельта для теплоносителя:

а) горячего при турбулентном течении Re>104:

Nu1=0,021* Re 10,8* Pr 10,43(Pr 1/ Pr c)0,25

Nu1=0,021* 40987,5 0,8* 2,0670,43*(2,067/ 2,21)0,25=138,253

б) холодного при турбулентном течении Re>104:

Nu2=0,021* Re 20,8*Pr 20,43(Pr 2/ Pr c)0,25

Nu2=0,021* 73051,30,8* 2,38 0,43*(2,38/ 2,21)0,25=241,599

20. Коэффициент теплоотдачи :

а) от горячего теплоносителя к стенке:

1= Nu1*1/ dэкв1= =7,259 кВт/(м2*К);

б) от стенки к холодному теплоносителю :

2= Nu2*2/ dэкв2= =11,579 кВт/(м2*К).



21.Определим коэффициент теплопередачи для горячего теплоносителя через стенку к холодному (теплопроводность латуни ст= 105 Вт/м*К; толщина стенки труб ст=1 мм).

4,28 кВт/(м2*К )

22. Поверхность нагрева аппарата:

F =Qв/(k*t )= 153,54/(4,28*29,25)= 1,23 м2

23. По ГОСТу 27590-2005 выпускаются водо-водяные подогреватели с длиной труб 2 и 4 м .Зададимся длиной теплообменных труб в аппарате l=2 м

24. Поверхность нагрева одной секции f=dln,

где d=0,5*(dн+ dв) =0,015 м -средний диаметр теплообменной трубы

f=3,14*0,015*2*4=0,377 м2

25. Число секций теплообменного аппарата :

N = F / f=1,23/0,377=3,26

Полученный результат округляем до ближайшего большего целого числа:

N =4

26.Общая длина теплообмена L= N *l=4х2=8 м

27.Фактическая поверхность теплообмена Fф= f*N=0,377*4=1,51м2

28.Выбираем по результатам расчета теплообменник ПВ1 57х2-Г-1,6-4-У3

ГОСТ 27590-2005

ПВ1- тип секции по ГОСТ 27590-2005

57 - наружный диаметр корпуса, мм;

2 - длина секции, мм;

Г- с гладкими трубами;

1,6- условное давление, выбрано исходя из того, что гидравлическое испытание трубопроводов тепловых сетей должно производиться при давлении не меньше 1,6 МПа

4- количество секций в подогревателе;

У3 - климатическое исполнение У, категория 3

( тепловые пункты располагают как правило, в отапливаемых помещениях)

Трубки в аппарате - латунные ДКРП 19x1 Л68 ГОСТ 21646-2003.

Фактическая производительность аппарата

Q= k*t*Fф/=4,28*29,25*1,23/0,93=165,57 кВт

Чертеж кожухотрубного теплообменника см. Приложение 1.

3. Расчет и подбор пластинчатого теплообменного аппарата

Тепловая мощность и расходы теплоносителей см. п.1.

Q = 165,1 кВт.

Qв=153,54 кВт.

Массовый расход теплоносителя:

а) горячего: 1= 1,27кг/с

б) холодного: 2= 1,2211 кг/с или 2=3,6*1,2211=4,4 т/ч.

Средние температуры теплоносителей:

а) горячего: t 1=85,5°С.

б) холодного: t 2=75°С.

Соотношение числа ходов для греющей х1 и нагреваемой х2 воды находится по формуле: 

Для пластинчатого теплообменника в большинстве случаев принимается: Р1=40кПа-потери давления по греющему теплоносителю;

Р2=100кПа-потери давления по нагреваемой воде.

Подставив числовые данные, получаем

Полученное соотношение ходов не превышает 2, значит, для повышения скорости воды и, следовательно, для эффективного теплообмена целесообразна симметричная компоновка( рис.1)

При расчете пластинчатого теплообменника оптимальная скорость воды в каналах принимается по ГОСТ 15515 равной wопт=0,4 м/с.

Из уравнения неразрывности G2 =2*w2*f2 определим площадь поперечного сечения каналов f2 для холодного теплоносителя.

f= G2/(2* wопт)= 1,2211/( 974, 8*0,4)=0,0031 м2

рис.1.Схема теплообмена в пластинчатом теплообменнике.

Рассчитаем пластинчатый теплообменник.

Предварительно задаемся пластинчатым теплообменником

НН№19 ТУ 3612-001-72323163-2006 с пластинами типа TL

Размеры пластин bхl= 306х817 мм; минимальная толщина пластины 0,4 мм.

Площадь поперечного сечения одного канала f= 0,0005198 м2 в соответствии со справочными данными.

Количество каналов для прохода холодного теплоносителя составляет

n2= f2/ f =0,0031/0,0005198=5,96 ; принимаем n2=6.

Количество каналов для прохода горячего теплоносителя составляет

n1= 6+1=7.

Площадь поперечного сечения каналов для прохода горячего теплоносителя f1= n1* f=7*0,0005198=0,0036м2

Площадь поперечного сечения каналов для прохода холодного теплоносителя f2= n2* f=6*0,0005198=0,0031м2

Находим фактическую скорость греющей воды, м/с

w1= G1/( f1*1) w1= 1,27/( 0,0036 *968,2)=0,3643 м/с

Находим фактическую скорость нагреваемой воды, м/с

w2= G2/( f2*2) =1,2211/( 0,0031*974,8) =0,404 м/с.

Коэффициент теплоотдачи 1, Вт/(м2*°С) от греющей воды к стенке пластины определяется по формуле :

1=1,16*А*[23000+283* t1ср-0,63 (t1ср)2]* w10,73



где А - коэффициент, зависящий от типа пластин, для типа выбранных пластин ТL А= 0,827886577

1=1,16*0,827886577* [23000+283* 85,5-0,63 *85,52]* 0,364350,73=18748,81 Вт/(м2*°С)

Коэффициент тепловосприятия 2, Вт/(м2*°С) от стенки пластины к нагреваемой воде принимается по формуле:

2=1,16*А*[23000+283* t2ср-0,63 (t2ср)2]* w20,73

2=1,16*0,827886577* [23000+283* 75-0,63 *752]* 0,4040,73 =20159,58 Вт/(м2*°С)

Коэффициент теплопередачи k, Вт/(м2*°С) определяется по формуле :

где - коэффициент, учитывающий уменьшение коэффициента теплопередачи из-за термического сопротивления накипи и загрязнений на пластине, в зависимости от качества воды принимается равным 0,7-0,85.

Примем =0,85.

Толщина пластины и коэффициент теплопроводности пластины из стали 08Х18Н10 ГОСТ 5632-2014 по данным каталога соответственно равны ст=0,4*10-3 м и ст=16 Вт/(м*°С)

Площадь поверхности теплообмена определяется по формуле:

F = (2n1 *Х- 2) * b * l, где b=0,306 м - ширина пластины, 

l =0,817 м- высота пластины, Х=1-число ходов .

F=(2*7*1-2)*0,306*0,817=3 м2

Фактическая теплопроизводительность (мощность) теплообменника составляет

Q=k*F*t

где t - среднелогарифмический температурный напор

Так как выбрана противоточная схема, то температурный перепад между теплоносителями на концах аппарата, °С:

t м= t1?- t"2 =101-90 = 11°С t м= t?2- t"1=70-60=10°С

5. Средний температурный напор, °С:

Q=6144*10,5*3=193,54 кВт - фактическое значение теплопроизводительности теплообменника .

4. Подбор пластинчатого теплообменного аппарата по программе «Ридан»

Исходные данные для расчета



Результат стандартного (проектного) расчета.



Теплообменник НН№19 Ру1,6 МПа



Заключение

Изделия с кожухотрубной конструкцией способны обеспечить многообразие условий эксплуатации и тепловых нагрузок, что способствует широкому распространению этого типа ВВП.

Для уравнивания скоростей внутрь трубок направляют меньший расход воды, а в межтрубное пространство -- больший. Таким образом, скорости движения воды в теплообменниках ПВ обеспечивают высокий коэффициент теплопередачи. Поэтому эти устройства называют скоростными водоподогревателями.

Пластинчатые теплообменники получили в настоящее время широкое распространение благодаря своей компактности за счет более значительной турбулизации потоков, и, как следствие, более высокого коэффициента теплопередачи .

К недостаткам пластинчатых аппаратов относится:

- значительно большие гидравлические потери, как по греющей так и по нагревающей среде .

- необходимость установки перед аппаратом сетчатого ферромагнитного фильтра.



Список литературы

1. Справочник по теплообменникам, т. 1, т. 2 / Под ред. Мартыненко О.Г.// М: Энергоатомиздат, 1987.

2. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В. М. Справочник по тепло-обменным аппаратам. - М: Машиностроение, 1989.

3. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника. Справочник // Под ред. Клименко А.В. и Зорина В.М., т. 4, - М: Изд. МЭИ, 2004.

4. Корнюхин И.П. Тепломассообмен в теплотехнике текстильных производств. М: МГТУ им. А.Н.Косыгина, 2005.

5. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. - М: Энергия, 1975.

6. Теория тепломассообмена. / Под ред. А.И. Леонтьева. - М: МГТУ им. Баумана, 1997.

7. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник // Под ред. Клименко А.В. и Зорина В.М., т. 2, М: Изд. МЭИ, 2001.

8. Теплоэнергетика и теплотехника. Общие вопросы. Справочник // Под ред. Клименко А.В. и Зорина В.М., т. 1, - М: Изд. МЭИ, 2000.

9. Коваленко Л.М., Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. М: Энергоатомиздат, 1986.

10. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М: Наука, 1972.

11. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара. - М.: МЭИ, 1999.

Размещено на Allbest.ru

...