Расчет теплообменника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Вологодский государственный технический университет»

(ВоГТУ)

Кафедра теплогазоснабжения и вентиляции

Контрольная работа № 1 по дисциплине: Энергоснабжение

Выполнил: Князев А. А.

Группа: ЗЭС-31.

Вологда 2012 г.



Вариант №3

Исходные данные

1. Тепловая мощность: .

2. Параметры пара: давление .

3. Температура прямой и обратной воды:

; .



Контрольные задания

Основные параметры состояния газа, уравнение состояния идеального газа -- уравнение Клапейрона

Основными параметрами состояния газа являются давление, температура и удельный объём.

Давление обусловлено взаимодействием молекул газа с поверхностью и численно равно силе, действующей на единицу площади поверхности тела по нормали к последней. В соответствии с молекулярно-кинетической теорией давление газа определяется соотношением

(1)

где -- число молекул в единице объёма; -- масса молекул; -- средняя квадратическая скорость поступательного движения молекул.

В Международной системе единиц (СИ) давление выражается в паскалях ().

Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости газа. Понятие о температуре вытекает из следующего утверждения: если две системы находятся в тепловом контакте, то в случае неравенства их температур они будут обмениваться теплотой друг с другом, если же их температуры равны, то теплообмена не будет.

С точки зрения молекулярно-кинетических представлений температура есть мера интенсивности теплового движения молекул. Её численное значение связано с величиной средней кинетической энергии молекул газа:

(2)

где -- постоянная Больцмана, равная . Температура , определённая таким образом, называется абсолютной.

В системе СИ единицей температуры является кельвин (); на практике широко применяется градус Цельсия (). Соотношение между абсолютной и стоградусной температурами имеет вид

Удельный объём -- это объём единицы массы газа. Если газ массой занимает объём , то по определению

В системе СИ единица удельного объёма . Между удельным объёмом газа и его плотностью существует очевидное соотношение:

Уравнение состояния идеального газа. Из уравнений (1) и (2) следует, что .

Рассмотрим газа. Учитывая, что в нём содержится молекул и, следовательно, , получим:

Постоянную величину , отнесённую к газа, обозначают буквой и называют газовой постоянной. Поэтому

(3)

Полученное соотношение представляет собой уравнение Клапейрона (1834 г.).

Умножив (3) на , получим уравнение состояния для произвольной массы газа :

(4)

Уравнению Клапейрона можно придать универсальную форму, если отнести газовую постоянную к 1 киломолю газа, т. е. к количеству газа, масса которого в килограммах численно равна молекулярной массе . Положив в (4) и , получим для одного киломоля уравнение Клапейрона -- Менделеева:

(5)

Здесь -- объём киломоля газа, а -- универсальная газовая постоянная.

В соответствии с законом Авогадро объём 1 киломоля, одинаковый в одних и тех же условиях для всех идеальных газов, при нормальных физических условиях и равен , поэтому

Газовая постоянная газа составляет



(6)

Конвективный обмен. Свободная и вынужденная конвекция

Конвективный обмен -- (от лат. convectio -- «доставка») -- явление переноса теплоты в жидкостях или газах путем перемешивания самого вещества.

Различают свободную (естественную) или вынужденную конвекцию жидкости (газа). Вынужденная конвекция создаётся внешним источником (насосом, вентилятором). Свободная конвекция возникает за счёт теплового расширения жидкости (газа), нагретой около теплоотдающей поверхности и находящейся (находящегося) в поле силы тяжести (или в системе, движущейся с ускорением). Она будет тем сильнее, чем больше разность температур теплоотдающей поверхности и жидкости (газа) и температурный коэффициент объёмного расширения:

(7)

где -- удельный объём жидкости.

Для газов, которые приближённо можно считать идеальными, коэффициент объёмного расширения можно получить, воспользовавшись уравнением Клапейрона:

В небольшом диапазоне изменения температур, а значит, и удельных объёмов частную производную в уравнении можно заменить отношением конечных разностей параметров холодной и прогретой жидкости (холодного и прогретого газа):

(8)

Разность плотностей приводит к тому, что на любой единичный объём прогретой жидкости (прогретого газа) будет действовать подъёмная сила , равная алгебраической сумме выталкивающей архимедовой силы и силы тяжести :

(9)

Подъёмная сила перемещает прогретую жидкость (прогретый газ) вверх без каких-либо побуждающих устройств (возникает свободная конвекция). Все рассуждения о возникновении свободной конвекции справедливы и для случая охлаждения жидкости (газа) с той лишь разницей, что жидкость (газ) около холодной поверхности будет двигаться вниз, поскольку её (его) плотность будет больше, чем вдали от поверхности.

Вынужденная конвекция в общем случае может сопровождаться процессом свободной конвекции, но так как интенсивность вынужденной конвекции заметно превосходит интенсивность свободной, то при рассмотрении вынужденной конвекции свободной часто пренебрегают. В общем случае она определяется физическими свойствами среды, скоростью ее движения, формой и размерами канала передвижения потока.



1. Общие положения и указания

Пароводяной сетевой подогреватель представляет собой теплообменник, в котором греющей средой является водяной пар, а нагреваемой -- сетевая вода, направляемая на нужды теплоснабжения.

Отечественной промышленностью изготавливается значительное количество теплообменников как горизонтального, так и вертикального типов. В задаче используется вертикальный тип.

Пароводяной подогреватель, представленный на рисунке, состоит из цилиндрического корпуса с овальным днищем и крышкой. Внутри установлен трубный пучок, состоящий из латунных труб, вставленных концами в отверстия верхней и нижней трубных досок и закреплённых развальцовкой концов. По высоте трубного пучка установлен ряд промежуточных перегородок, ужесточающих трубки. К нижней трубной доске крепится поворотная камера.

Рис. Пароводяной сетевой подогреватель.

1 -- корпус; 2 -- крышка; 3 -- трубный пучок; 4 -- поворотная камера.

В крышке предусмотрены два штуцера для подвода и отвода сетевой воды, в верхней части корпуса -- штуцер для подвода водяного пара, в днище -- для удаления конденсата.

Водяной пар, делая ряд поворотов, омывает латунные трубки, конденсируется. Конденсат стекает по поверхности трубок, снимается перегородками и стекает вниз. Чем меньше среднее расстояние между перегородками , тем тоньше конденсатная плёнка на трубках, тем эффективней теплообмен между паром и стенкой трубок.

Сетевая вода движется внутри трубок по двухходовой или четырёхходовой схемам установки перегородок в крышке и поворотной камере, воспринимает теплоту от пара и нагревается.

Таким образом, цилиндрическая часть всех трубок и составляет поверхность теплообмена теплообменника.

Основными расчётными параметрами типового теплообменника, изготовляемого отечественной промышленностью, являются: поверхность теплообмена , м², сечение для прохода сетевой воды , м² и среднее расстояние между трубными перегородками , м.

Основными расчётными параметрами по заданию являются: тепловая мощность , кВт, давление , МПа и соответственно температура насыщения пара , , температура сетевой воды на выходе и входе теплообменника , и , .

В настоящей задаче выполняется поверочный расчёт, который не cтавит целью разработку и создание нового теплообменника, удовлетворяющего заданным параметрам. Целью поверочного расчёта является выбор типового теплообменника в большей степени обеспечивающий заданные параметры. Обоснованием правильности выбора номера теплообменника является cxoдимость расчётной поверхности нагрева с поверхностью нагрева типового , вводя в расчёт данные типового теплообменника и .

Расхождение расчётной поверхности нагрева и типового теплообменника в пределах 3% не приведёт к ощутимым изменениям в заданных параметрах, в первую очередь , при установке типового теплообменника. В этом случае можно считать, что выбор номepa теплообменника был верным и расчёт, подтверждающий это, законченным.

Однако, в некоторых случаях не удаётся уложиться в этот предел 3% в ту или другую сторону. Это приведёт при установке выбранного типового теплообменника к значительному изменению заданных параметров, например, . Дальнейшая задача сводится к определению этого изменения. Если , следует увеличить на несколько градусов и наоборот. При этом в записку включаются два расчёта: без изменения и с изменением .

2. Методика поверочного расчёта теплообменника

Расход сетевой воды, проходящей через теплообменник сетевого подогревателя , :

где , кВт тепловая мощность; , , , -- температуры сетевой воды; , -- теплоёмкость воды. Скорость воды в трубках теплообменника W, :

где , -- плотность воды;, -- сечение для прохода воды в теплообменнике (по табл. 1, приведённой в [1]). Скорость воды в теплообменнике должна составлять .

Средний температурный напор между паром и сетевой водой , :

где , -- температура насыщения пара.

Средняя температура сетевой воды , :

Коэффициент теплоотдачи , на границе сетевая вода -- внутренняя поверхность трубок:

где -- внутренний диаметр трубок.

Средняя температура стенки трубок , :

Средняя температура конденсата на стенке трубок , :

Температурный перепад между паром и стенкой , :

Коэффициент теплоотдачи на границе водяной пар -- стенка , :

где , -- среднее расстояние между промежуточными перегородками (по табл. 1).

Уточнение температуры стенки , :

Уточнение , , :

Коэффициент теплопередачи , :

где , -- коэффициент теплопроводности стенки трубок (для латуни ; , -- толщина стенки трубок (); , -- термическое сопротивление загрязнений на стенке трубок ().

Расчётная поверхность нагрева теплообменника , ;

Относительное расхождение , :

где , -- поверхность нагрева типового теплообменника.

3. Поверочный расчёт теплообменника

Задание: тепловая мощность , давление насыщенного пара , температура сетевой воды на выходе , температура сетевой воды на входе .

Выбираем теплообменник №1 (по табл. 1, приведённой в [1]): ; ; .

Для расчёт в программе parvo95 даёт температуру насыщенного пара .

Средний температурный напор между средами:

Средняя температура сетевой воды:

Для и давления сетевой воды порядка расчёт в программе parvo95 даёт ; .

Расход сетевой воды:



Скорость движения сетевой воды:

Коэффициент теплоотдачи на границе сетевая вода -- внутренняя поверхность трубок:

Средняя температура стенки трубок:

Средняя температура конденсата на стенке трубок:

газ теплообменник конвекция вода

Температурный перепад между паром и стенкой:

Коэффициент теплоотдачи на границе пар -- наружная поверхность трубок:



Уточнения , , , :

Коэффициент теплопередачи:

Расчётная поверхность нагрева:

Расхождение расчётной и типовой поверхностей нагрева:

Расхождение слишком велико, изменяем сечение для прохода воды в теплообменнике (выбираем типовой теплообменник №2 по табл. 1, приведённой в [1]): ; ;

Расход сетевой воды, проходящей через теплообменник сетевого подогревателя также будет:

Скорость воды в трубках теплообменника:

Скорость воды в трубах слишком мала.

Расчеты на другие типы теплообменников при заданных исходных значениях дают еще меньшие параметры скорости движения воды в трубах.

Оптимально, для получения необходимого уровня тепловой мощности при минимальном расхождении расчетной и типовой поверхностях нагрева даст повышение температуры сетевой воды при использовании теплообменника №1 и температуры сетевой воды : тепловая мощность ; давление насыщенного пара ; температура сетевой воды на выходе ; температура сетевой воды на входе .

Средний температурный напор между средами:

Средняя температура сетевой воды:

Для и давления сетевой воды порядка расчёт в программе parvo95 даёт ; .

Расход сетевой воды:

Скорость движения сетевой воды:

Коэффициент теплоотдачи на границе сетевая вода -- внутренняя поверхность трубок:

Средняя температура стенки трубок:

Средняя температура конденсата на стенке трубок:

Температурный перепад между паром и стенкой:

Коэффициент теплоотдачи на границе пар -- наружная поверхность трубок:

Уточнения , , , :

Коэффициент теплопередачи:

Расчётная поверхность нагрева:

Расхождение расчётной и типовой поверхностей нагрева:

Таким образом, при увеличении температуры сетевой воды возможно использование теплообменника №1.



Список литературы

1. Потребители тепловой энергии: Методические указания к выполнению курсового проекта для студентов дневной и заочной формы обучения: ЭЭФ, ЗДО: спец. 181300 / сост. Е. И. Кашунин. -- Вологда: ВоГТУ, 2005.

2. Теплотехника: Учеб. для вузов / А. П. Баскаков, Б. В. Берг, О. К. Витт и др.; Под ред. А. П. Баскакова. -- 2-е изд., перераб. -- М.: Энергоатомиздат, 1991. -- 224 с.

3. Лебедев П. Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки. Учебник для студентов технических вузов. Изд. 2-е, перераб. М.: «Энергия», 1972.

Размещено на Allbest.ru

...