Расчет и проектирование теплообменного аппарата типа "труба в трубе"

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Рыбинский государственный авиационный технический университет имени П. А. Соловьёва»

Факультет авиадвигателестроения

Кафедра «Общей и технической физики»

Курсовая работа

Расчет и проектирование теплообменного аппарата типа «труба в трубе»

Студент гр…ТФБ-19

Гулбутаев А.Д.

Преподаватель

Емец.А.А.

Рыбинск 2023

Содержание

Список условных обозначений

Задание

Введение

1. Теоретическая часть

2. Методика расчёта теплообменных аппаратов

3. Расчётная часть

Заключение

Список используемой литературы

Список условных обозначений

теплообменный аппарат гидравлический расчёт

p - давление, Па;

w - скорость, м/с;

с - плотность, кг/м³;

t - температура, °C;

C_p - удельная изобарная теплоёмкость, Дж/(кг•К);

G - массовый расход, кг/с;

б - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²•К);

k - коэффициент теплопередачи, Вт/(м²•К);

F- площадь, м²;

D, d- диаметр, м;

л - теплопроводность, Вт/(м•К);

v- кинетическая вязкость, м²/с;

l - длина, м;

N - мощность, Вт;

Pr- число Прандтля;

Nu - число Нуссельта;

Re- число Рейнольдса.

Надстрочные индексы

? - параметр на входе в теплообменник;

?- параметр на выходе из теплообменника.

Подстрочные индексы

1 - значение параметра для воздуха во внутренней трубе;

2 - значение параметра для воздуха во внутренней трубе.

Задание

Спроектировать теплообменный аппарат типа труба в трубе для подогрева воздуха с 15°C до 90°C за счёт потока горячего воздуха с температурой равной 190°C. Расход греющего теплоносителя равен 10г/с. Горячий воздух движется по внутренней трубе, холодный воздух - по внешней трубе. Перепад давления Дp = 4кПа.

Исходные данные:

t?₁ = 180°C;

t?₂=30°C;

t?₂ = 90°C;

G₂ = 10г/с.

Введение

Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Такие аппараты многочисленны и по своему техническому назначению и конструктивному оформлению весьма разнообразны. По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Рекуперативными называются такие аппараты, в которых тепло от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку. Примером таких аппаратов являются парогенераторы, подогреватели, конденсаторы и т.п.

Регенеративными называются такие аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева омывается то горячим, то холодным теплоносителем. При протекании горячей жидкости тепло воспринимается стенками аппарата и аккумулируется в них. При протекании холодной жидкости ранее аккумулированная теплота ею воспринимается. Примерами таких аппаратов являются регенераторы мартеновских и стеклоплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей и др.

В рекуперативных и регенеративных аппаратах процесс передачи теплоты неизбежно связан с поверхностью твердого тела. Поэтому такие аппараты называются также поверхностными.

В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит путем непосредственного соприкосновения и смешения горячего и холодного теплоносителей. В этом случае теплопередача протекает одновременно с массообменом. Примером таких теплообменников являются башенные охладители (градирни), скрубберы и др.

Специальные названия теплообменных аппаратов обычно определяются их назначением, например парогенераторы, печи, водонагреватели, испарители, перегреватели, конденсаторы, сушильные аппараты и т.д. Однако, несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов по виду, устройству, принципу действия и рабочим телам задача ими решается одна и та же - передача теплоты от горячей жидкости к холодной. Поэтому и основные положения теплового расчета для них остаются общими.

1.Теоретическая часть

Конструкции теплообменных аппаратов весьма разнообразны, однако существует общая методика теплотехнических расчетов, которую можно применить для частных расчетов в зависимости от имеющихся исходных данных.

Цель теплового расчета определить требуемую поверхность теплообмена и подобрать стандартизованный аппарат. Гидравлический расчет проводится с целью определения достаточности давления, создаваемого насосами (компрессорами) для преодоления сопротивлений, возникающих при движении потока через аппарат. В механическом расчете аппарата обоснованно выбирают материалы для изготовления элементов конструкции и проводят все необходимые прочностные расчеты, подтверждающие возможность его безопасной и длительной эксплуатации при заданных параметрах работы (температура, давление) и с учетом свойств теплообменивающих потоков.

Теплообмен между теплоносителями существенно изменяется в зависимости от физических свойств и параметров движущихся сред, а также от гидродинамических условий движения. 6 Физические параметры теплоносителей зависят от температуры и определяются по справочной литературе в зависимости от выбранной средней температуры среды. Средняя температура среды t_ср, °С, приближенно определяется как среднее арифметическое начальной t_н и конечной t_к температур. Основными физическими параметрами рабочих сред являются плотность, вязкость, теплоемкость, теплопроводность, температура кипения, скрытая теплота испарения или конденсации и др. При конструировании теплообменной аппаратуры обычно выбирают такие скорости теплоносителей, при которых коэффициенты теплоотдачи и гидравлические сопротивления были бы экономически выгодными. Выбор оптимальной скорости имеет большое значение для качественной работы теплообменного аппарата, так как увеличение скоростей теплоносителей приводит к интенсификации теплообмена (возрастают коэффициенты теплопередачи) и уменьшению поверхности нагрева, т. е. аппарат становится компактнее, однако при этом значительно возрастают гидравлические сопротивления и, естественно, увеличивается расход электроэнергии на перекачку, а также появляется опасность гидравлического удара и вибрации труб. Поэтому часто бывает необходимо произвести технико-экономический расчет для выбора наивыгоднейших скоростей теплоносителей. Обычно минимальное значение скорости теплоносителя выбирается соответствующим началу турбулентного движения потока, т. е. числу Рейнольдса больше 10⁴ .

2.Методика расчёта теплообменных аппаратов

Тепловой расчёт

В инженерных расчетах рассматривают два основных вида теплового расчета теплообменных аппаратов: тепловой конструктивный и тепловой проверочный расчеты.

Тепловой конструктивный расчет выполняют при проектировании новых аппаратов в целях определения площади поверхности теплообмена и количества переданной теплоты.

Тепловой проверочный расчет выполняют, если известна конструкция теплообменного аппарата и соответственно площадь поверхности теплообмена, a необходимо определить конечные температуры теплоносителей и количество переданной теплоты.

В обоих случаях тепловой расчет основан на совместном решении уравнений теплового баланса и теплопередачи.

B общем случае уравнение теплового баланса теплообменного аппарата имеет вид:

(2.1)

где , - количество теплоты, отдаваемое горячим теплоносителем в единицу времени, Вт; количество теплоты, воспринимаемое холодным теплоносителем в единицу времени, Вт; - тепловые потери в окружающую среду, Вт.

Тепловые потери зависят от режима работы теплообменного аппарата, его конструкции и качества тепловой изоляции. Величину тепловых потерь рассчитывают индивидуально для каждого теплообменника.

При допущении малости тепловых потерь уравнение теплового баланса принимает вид:

(2.2)

где Q - тепловая мощность теплообменного аппарата, Вт.

Тепловую мощность теплообменного аппарата рассчитывают по формуле:

(2.3)

где - расход теплоносителя, кг/с; - изменение удельной энтальпии,Дж/кг.

Изменение удельной энтальпии для однофазных теплоносителей равно:

(2.4)

Таким образом уравнение теплового баланса можно записать следующим виде:

(2.5)

Удельная теплоемкость находится по таблицам (1) при средней температуре теплоносителя

Площадь поперечного сечения рассчитывается по формулам:

- круглая одиночная труба с внутренним диаметром

(2.7)

- кольцевой канал теплообменника типа «труба в трубе»

(2.8)

где D - внутренний диаметр наружной трубы, м; - наружный диаметр внутренней трубы, м.

Уравнение теплопередачи в рекуперативном теплообменнике имеет вид:

(2.9)

где - тепловая мощность теплообменника, Вт; -средний коэффициент теплопередачи через разделяющую теплоносители стенку, Вт/(• К); - средний логарифмический температурный напор , ; - площадь поверхности теплообмена ,.

Площадь поверхности теплообмена выражается из уравнения теплопередачи:

(2.10)

Средний температурный напор вычисляется по формуле:

(2.11)

(2.12)

Для определения коэффициента теплоотдачи вычислим число Рейнольдса:

(2.13)

При движении теплоносителя в кольцевом канале теплообменник тип «труба в трубе» в качестве определяющего размера принимают эквивалентный диаметр, который равен:

(2.4)

Далее определяют число Нуссельта при течении внутри труб:

(2.15)

Коэффициент теплоотдачи определяется:

(2.16)

Число Прандтля при температуре теплоносителей и коэффициент теплопроводностинаходятся по таблицам (1) при средней температуре теплоносителей.

Коэффициент теплопередачи через стенку круглой трубы рассчитывается по формуле:

 (2.17)

Для тонкостенных труб, для которых выполняется условие коэффициент теплопередачи можно рассчитать, как:

(2.18)

где - толщина стенки трубы, м; - коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м•К)

2. Гидравлический расчет

Гидравлический расчет теплообменного аппарат включает в себя определение необходимой мощности, затрачиваемой на перемещение в нем теплоносителей:

(2.19)

где - объемный расход теплоносителя, -перепад давления в потоке теплоносителя.

Полная потеря давления в теплообменном аппарате определяется:

(2.20)

где - сумма потерь давления на преодоления сил трения, а - сумма потерь давления на преодоление местных сопротивлений.

Гидравлический сопротивление трение определяется на участках безотрывного течения теплоносителя. Потери давления на преодоление сил трения во входном патрубках и по длине труб рассчитываются по формуле Вейсба - Дарси:

(2.22)

Коэффициент Дарси или коэффициент потерь на трения по длине определяется для ламинарного потока по формуле:

(2.23)

где В - табличный коэффициент, значение которого определяется формой сечения потока. Для трубы круглого значение В = 64, таким образом:

(2.24)

Для развитого турбулентного режима можно пользоваться формулой Блазиуса:

(2.25)

3.Расчётная часть

Тепловой расчёт

Средняя температура нагреваемого воздуха:

Удельная теплоёмкость воздуха при средней температуре 60°C равна Cp₂ = 1005 Дж/(кг•К)[1].

Тепловая мощность теплообменного аппарата равна:

Согласно уравнению теплового баланса(Q₁=Q₂), расход греющего воздуха будет равен:

Уравнение среднего логарифмического температурного напора:

Зададим внутренний диаметр d₁ = 20мм. А наружный диаметр внутренней трубы d_1нар = 22мм.

Плотность воздуха при t_1ср = 150 равнас₁ = 0,835кг/м³, а кинетическая вязкость v₁ = 24,1•10^-6 м²/с[1].

Тогда площадь будет равна:

Посчитаем скорость для d₁:

Число Рейнольдса определит режим течения во внутренней трубе:

При > 10⁴ режим течения является турбулентным.

Выберем диаметр внешней трубы d₂ = 44мм, а наружный диаметрd_2нар = 48мм.

Тогда d_экв = d₂ - d_1нар = 22мм.

При t_2ср = 60 плотность воздуха равнас₂ = 1,06кг/м³, а кинетическая вязкость v₂ = 27,2•10^-6 м²/с[1].

Площадь теплового канала теплообменника равна:

Скорость для таких параметров:

С помощью числа Рейнольдса определим режим течения во внешней трубе:

Так как > 10⁴, то режим является турбулентным.

Число Нуссельта при турбулентном течении газа внутри труб определяется по формуле:

Число Прандтля при t_1ср=73,9°CбудетPr_ж =0,694, а при t_2ср = 60°C равно Pr_ж = 0,696[2].

Подставляя в формулу, получим:

Теплопроводность воздуха л_в = 0,029 Вт/(м•К)[1]. Коэффициент теплоотдачи будет равен:

Условие d_нар/d_вн = d_1нар/d₁ = 1,1< 2 выполняется, так что стенка считается тонкостенной. Поэтому коэффициент теплопередачи можно рассчитать по формуле:

Где теплопроводность стали 12Х8ВФл_ст = 204 Вт/(м•К)[1].

Площадь теплообмена:

Температуры стенки:

Рисунок теплопередачи через стенку:

Длина теплообменника:

Диаметры входного и выходного патрубков найдём по формуле:

Гидравлический расчёт теплообменного аппарата включает в себя определение необходимой мощности, затрачиваемой на перемещение в нём теплоносителей:

где V - объемный расход теплоносителя, Дp - перепад давления в потоке теплоносителя.

Для развитого турбулентного течения используем формулу Блазиуса:

Коэффициент сопротивления при повороте на 160° о₁ = 1согласно рекомендациям[2].

Коэффициент сопротивления повороте на 90°о_вых = 1, а при повороте на 110° и ударе о_вх = 2,5 [2]. Тогда коэффициент сопротивления в кольцевом канале:

о_1? = 2(о_вых+ о_вх) = 2 (1+1,5) = 5.

Потери давления за счёт местного сопротивления:

Коэффициент гидравлических потерь определяется следующе:

Потери давления на преодоление сил трения по длине трубы рассчитываются по формуле Вейсбаха-Дарси:

Для внутренней трубы получаем:

Для внешней трубы:

Полные потери давления в трубах:

Объёмный расход теплоносителя находим во формуле:

Подставляя полученные выше данные в формулу мощности, получаем:

На отрезке 2>3 действует сопротивление при повороте на 180°.

На отрезках 7>8 и 10>11 действует сопротивление при повороте на 90°.

На отрезках 5>6 и 8>9 действует сопротивление при повороте на 90° и ударе об стенку.

Прочностной расчёт

Рассчитаем допускаемое давление для внутренней трубы:

где d_нар - наружный диаметр внутренней трубки, м; [у] - допускаемое напряжение, МПа; ? - коэффициент прочности сварного шва; s- толщина стенки внутренней трубки; c - конструктивная прибавка.

Учитывая особенности конструкции, стали и влияние температуры, выбираем допустимое напряжение [у] = 140 МПа[2].

Коэффициент прочности сварного шва для стального сплава выбираем равным 0,95[2].

Выбираем cравной 0,5 мм.

Рассчитаем допускаемое давление:

Так как максимальное допустимое давление на внутренней стенки трубы при ее толщине равной 1мм равно 14МПа[2], а давление p_к много меньше, то прочностной расчёт заключается в определении толщины стенки наружной трубы.

Произведём расчёт толщины стенки цилиндрической трубы, нагруженной внутренним давлением по формуле:

где p_к - расчётное давление обечайки, МПа; D_вн - внутренний диаметр обечайки, м; [у] - допускаемое напряжение, МПа; ? - коэффициент прочности сварного шва, c - конструктивная прибавка.

Для работы теплообменника свыше десяти лет выбираем c равным 1,5 мм[3].

Величина p_к настолько мала, что ей можно пренебречь.

Подставляя всё в формулу, получаем:

Заключение

В ходе работы были выполнены расчёт и проектировка теплообменного аппарата типа «труба в трубе», оба теплоносителя которого воздух.

Найдена площадь поверхности теплообмена F_тепл = 0,214м², обеспечивающая передачу заданного теплового потока. Так же были определены размеры теплообменника: диаметры внутреннейи внешней труб d₁ = 20 мм, d₂ = 44 мм; толщина стенки, через которую осуществляется теплообмен равна 1мм, толщина внешней стенки 2 мм. Длинна теплообменника l = 3,1 м.

В процессе гидравлического расчёта были высчитаны мощности, необходимые для прокачки заданных теплоносителей, которые составили: для греющего воздуха N₁ = 17 Вт, для нагреваемого N₂ = 5,07.

В прочностном расчёте определена необходимая толщина цилиндрической стенки трубы при заданном давлении, которая составила s=1,5 мм.

Список используемой литературы

теплообменный аппарат гидравлический расчёт

1. Бухмиров В.В. Тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата: Учебное пособие [Текст] /В.В. Бухмиров, Д.В.Ракутина, Ю.С.Солнышкова, М.В. Пророкова. - Иваново: ИГЭУ, 2013. - 124 с.

2. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям[Текст] /И.Е. Идельчик. - М.: Машиностроение, 1992. - 672 с. Исаченко, В.П. Теплопередача. [Текст] / В.П. Исаченко, В.А. Осипова,

3. Исаченко В.П. Теплопередача. [Текст] / В.П. Исаченко, В.А. Осипова,A. С. Сукомел. - М.: Энергия, 1975. - 488 с.

4. Мартыненко О.Г. Справочник по теплообменникам:в 2-х т. Т.2 (Текст] / С 74 Пер. с англ. под ред. О.Г. Мартыненко и др. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - 352 с.

5. Михалев М.Ф. Расчет и конструирование машин и аппаратов химических производств: Примеры и задачи: Учебное пособие для студентов втузов [Текст] /М.Ф. Михалев, Н.П. Третьяков, А.И. Мельченко, В.В.Зобнин. - Л.: Машиностроение, 1984. - 301 с. задания по курсу

6. Сергеев M.Н.Рачетно-графические«Тепломассообмен»: Учебное пособие [Текст] /М.Н. Сергеев. Рыбинск: РГАТА, 2009. - 114 с.

Размещено на Allbest.ru

...