Конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВО «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени Серго Орджоникидзе» (МГРИ-РГГРУ)

ИНСТИТУТ СОВРЕМЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ РАЗВЕДКИ

КАФЕДРА МЕХАНИЗАЦИИ, АВТОМАТИЗАЦИИ И ЭНЕРГЕТИКИ

ГОРНЫХ И ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫХ РАБОТ

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Теплотехника»

На тему: Конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата

Выполнил: студент группы ШПС-15

Казаков А.С.

Проверил: проф. Меркулов М.В.

Москва 2020

Задание и исходные данные

1. Провести конструктивный тепловой расчет водо-водяного рекуперативного теплообменника для подогрева подпитывающей воды котельной установки.

2. Вычертить эскиз общего вида, указать на нём габаритные размеры теплообменника, нанести параметры теплоносителей и схему их движения.

3. Составить техническую характеристику теплообменного аппарата с указанием его конструктивных и технических параметров (тепловой нагрузки, температур и расходов теплоносителей, площади, длины, диаметра труб и их числа).

4. Расчёт провести для следующих условий(Вариант №5):

- температура первичного теплоносителя на входе в теплообменник Т₁= 95°С;

- температура вторичного теплоносителя на входе в теплообменник t₁= 5°C;

- температура вторичного теплоносителя на выходе из теплообменника t₂= 50°С.

- тепловая нагрузка теплообменника Q = 75 кВт.

рекуперативный теплообменник котельный аппарат

Решение

1. Примем температуру воды на выходе из теплообменника первичного теплоносителя Т₂ = 85 °С и определим среднюю температуру Т_ср, t_ср и перепад температуры в теплообменнике Т, Дt.

2. Зная тепловую нагрузку, определим массовый расход из уравнений теплового баланса для первичного и вторичного теплоносителя:

кг/с;

кг/с.

Cв = 4,19 кДж/кг °С - теплоемкость воды.

3. Определим площадь сечения водяного (первичного) теплоносителя, приняв скорость движения воды по трубкам ₁ = 0,3 м/с:

, м²;

где:

V₁ - объемный расход первичного теплоносителя, м³/с;

м³/с; где с=965,3 кг/м³ - плотность воды в первичном теплоносителе(по Т_ср=90°С; по таблице 1.3 на стр. 162).

, м²;

4. В конструкции теплообменника будем использовать стальные трубки с внутренним диаметром d_в = 0,027 м и толщиной стенки = 0,004 м, т.е. наружный диаметр d_н = 0,035 м.

Тогда число трубок: .

5. Для удобства расположения трубок по концентрическим окружностям в теплообменнике примем их число n=19 шт (по табл. 1.1 на стр. 22).

6. Определяем диаметр теплообменника:

;

где:

D' - относительный диаметр определим по табл. 1.1 для n = 19

S- шаг трубок(расстояние между центрами труб)

k - расстояние от края трубок до кожуха теплообменника, примем k = 0,01 м.

7. Определим площадь сечение межтрубного пространства:

.

Где: -скорректированное число трубок ТО

8. Определим скорость движения воды в межтрубном пространстве:

9. Рассчитаем величину критерия Рейнольдса для первичного и вторичного теплоносителей:

а) Первичный теплоноситель вода

где:

= 0,33*10^-6, м²/с - коэффициент кинематической вязкости, принимается по таблице 1.3(на стр.162) при средней температуре жидкости ().

б) Вторичный теплоноситель (вода)

Характеристикой внутреннего размера межтрубного пространства является эквивалентный диаметр.

где:

- эквивалентный диаметр, .

= 0,84*10^-6, м²/с - коэффициент кинематической вязкости, принимается по таблице 1.3(на стр. 162) при средней температуре ().

- смачиваемый периметр межтрубного пространства

;

;

10. Определим режим течения теплоносителей и расчетные формулы критерия Нуссельта.

а) Первичный теплоноситель(вода) Re₁ = 24545,45 > - режим движения воды турбулентный.

Б) Вторичный теплоноситель Re₂ = 700 < - режим движения воды ламинарный, для уточнения режима движения воды(вязкостный или вязкостно-гравитационный) рассчитаем критерии GrPr.

Индексы «ж», «с» и «о» показывают, что параметры принимаются, соответственно, при средней температуре жидкости t_ж, температуре стенки t_c и определяющей температуре t_o.

, где t - логарифмический перепад температур на теплообменнике.

Примем движения первичного и вторичного теплоносителей в противотоке, т.е. вода по трубкам и в межтрубном пространстве будет двигаться навстречу друг другу.

Для противотока:

,

.

Значения коэффициентов и критерия Прандтля принимаются при определяющей температуре по таблице 1.3(на стр. 162).

_о= 3,3410^-4 - коэффициент температурного расширения воды,

Pr_o = 4,98 - критерий Прандтля,

_o = 0,7510^-6 - коэффициент кинематической вязкости воды.

.

т.к. GrPr > 10⁶ - режим движения воды вязкостно-гравитационный, в качестве расчетной формулы для определения критерия Нуссельта для воды примем формулу 1 (таблица 1.1 приложений).

11. Определим коэффициенты теплоотдачи для первичного и вторичного.

а) Для первичного теплоносителя

Поскольку получился турбулентный режим, то используем формулу №4 из таблицы 1.1(на стр. 159):

Рr = 1,95 - критерий Прандтля для воды, принятый при средней температуре.

Коэффициент теплоотдачи воды через критерий Нуссельта:

.

где _ж1 = 0,680 - коэффициент теплопроводности, принятый при средней температуре жидкости Вт/м °С (по таблице 1.3 на стр. 162).

.

б) Для вторичного теплоносителя

Поскольку режим вязкостно-гравитационный, то по таблице 1.1 (на стр. 159) используем формулу №1:

Критерий Пекле:

где a₀ = 15,0510^-8 с/м²- коэффициент температуропроводности, принятый при определяющей температуре (t_o).

Примем длину теплообменника l =2 м, тогда условия применения формулы удовлетворяет условиям работы теплообменника.

, - коэффициенты динамической вязкости воды, принимают из табл. 1.1(на стр. 162),

,

_ж2= 0,613 - коэффициент теплопроводности воды, Вт/м °С.

.

.

12. Определим коэффициент теплопередачи:

где _ст - толщина стенки трубы, _ст = 0,004 м;

_ст - коэффициент теплопроводности стали, _ст = 50 Вт /м°С.

13. Определим площадь теплообмена:

14.Рассчитаем длина труб теплообменника:

Длина труб, принятая ранее в п. 11 не совпадает с полученной. Корректировка длины при определении критерия Нуссельта для вторичного теплоносителя приведет к изменению результата, поэтому необходимо провести перерасчет.

Примем длину теплообменника l=2,2 м, тогда

.

.

12. Определим коэффициент теплопередачи:

где _ст - толщина стенки трубы, _ст = 0,004 м;

_ст - коэффициент теплопроводности стали, _ст = 50 Вт /м°С.

13. Определим площадь теплообмена:

14.Рассчитаем длина труб теплообменника:

Проверочный расчет

15. Определим водяные эквиваленты теплоносителей

Первичный теплоноситель ;

Вторичный теплоноситель .

16. Отношение водяных эквивалентов:

Определим значение коэффициента Z по таблице 1.5(на стр. 163), Z =0,121

17. Проверка выбранных температур

;

Принятое в расчете произвольное значение температуры Т₂ не отличается более, чем на 20% от полученных в проверочном расчете, поэтому расчет теплообменника выполнен верно.

Конструктивные размеры теплообменника и его основные параметры (см. рис.)

1. Тепловая мощность теплообменника, кВт.................... 75

2. Расходы теплоносителей, кг/с

- первичного........................................................1,79

- вторичного.......................................................0,398

3. Температура на входе в теплообменник, °С

- первичного ТН.............................................................. 95

- вторичного ТН.............................................................. 5

4. Температура на выходе из теплообменника, °С

- первичного ТН.............................................................. 85

- вторичного ТН.............................................................. 50

5. Площадь теплообмена, м²............................................... 4,73

6. Габаритные размеры, мм................................................. 2700x219

D = 219 мм;

L = 2700 мм;

Размещено на Allbest.ru