Тепловой и гидравлический расчеты кожухотрубного теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание на курсовую работу

Выполнить тепловой и гидравлический расчеты теплообменного аппарата при следующих условиях:

1. Тип аппарата - кожухотрубный.

2. Греющая среда спирт

температура: на входе t?₁= 141,єC;

на выходе t?₁= 32,єC;

массовый расход G₁= ? ,кг/с;

скорость w₁= 4 м/с.

3. Нагревающая среда вода

температура: на входе t?₂= 6,єC;

на выходе t?₂= 126,єC;

массовый расход G₂= 4,кг/с;

скорость w₂= 2 м/с.

4. Геометрические характеристики поверхности теплообмена;

Внутренний диаметр трубок d₁ = 0.016, м;

Наружный диаметр d₂ = 0.018, м;

Толщина стенки трубок д = 0.001, м;

Параметр Д = 0.1167;

Материал трубок алюминий;

Кольцевой зазор 0.008, м

Содержание

Задание на курсовую работу

Введение

1. Тепловой расчет

1.1 Уравнения теплового баланса и теплопередачи

1.2 Определение производительности аппарата

1.3 Определение расхода теплоносителя

1.4 Расчет среднего температурного напора

1.5 Определение коэффициента теплоотдачи

1.5.1 Определение режима течения жидкости

1.5.2 Теплоотдача при движении жидкости в трубе

1.5.3 Определение эквивалентного диаметра

1.5.4 Теплоотдача при продольном обтекании труб

1.6 Расчет среднего коэффициента теплопередачи

1.7 Расчет поверхности теплообмена

1.8 Расчет количества трубок

1.9 Определение температур стенки

1.10 Расчет длины трубок

2. Гидравлический расчет

2.1 Расчет мощности насоса для прокачки греющего теплоносителя

2.2 Расчет мощности насоса для прокачки нагреваемого теплоносителя

Заключение

Библиографический список

Приложение

Введение

Курсовая работа по теории теплообмена является одной из важных форм изучения курса и имеет цель способствовать развитию творческой активности студентов, развитию у них навыков инженерного мышления и выполнения технических расчетов, изучению и закреплению наиболее сложного теоретического материала курса, а также повышение инженерной эрудиции и математической культуры.

В данной курсовой работе я рассчитывал основные параметры кожухотрубного теплообменного аппарата.

Теплообменник, устройство для передачи тепла от нагретого (жидкого или газообразного) теплоносителя более холодному. Примером может служить аппарат для пастеризации молока, в котором холодное молоко нагревается горячей водой, протекающей по внутренним трубам. Теплообменные аппараты применяются в авиационной и космической технике, энергетике, химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности, в холодильной и криогенной технике, в системах отопления и горячего водоснабжения, кондиционирования, в различных тепловых двигателях.

Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, скрепленных при помощи трубных решеток (досок) и ограниченных кожухами и крышками с патрубками.

Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов. Перегородки предназначены для увеличения скорости и, следовательно, коэффициента теплоотдачи теплоносителей. Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена: между различными жидкостями, между жидкостями и паром, между жидкостями и газами. Они применяются в случаях, когда требуется большая поверхность теплообмена. Применяются типовые конструкции кожухотрубных теплообменников. При нагреве жидкости паром в большинстве случаев пар вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам.

Рис. 1 Секционный теплообменник. 1 - линзовый компенсатор; 2 - соединительные патрубки; 3 - калач.

В кожухотрубных теплообменниках проходное сечение межтрубного пространства в 2-3 раза больше проходного сечения внутри труб. Поэтому при одинаковых расходах теплоносителей, имеющих одинаковое агрегатное состояние, скорости теплоносителя в межтрубном пространстве более низкие и коэффициенты теплоотдачи на поверхности межтрубного пространства невысокие, что снижает коэффициент теплопередачи в аппарате. Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Корпус (кожух) кожухотрубного теплообменника представляет собой цилиндр, сваренный из одного или нескольких стальных листов. Кожухи различаются главным образом способом соединения с трубной решеткой и крышками. Толщина стенки кожуха определяется максимальным давлением рабочей среды и диаметром аппарата, но не делается тоньше 4 мм.

К цилиндрическим кромкам кожуха привариваются фланцы для соединения с крышками или днищами. На наружной поверхности кожуха привариваются патрубки и опоры аппарата. Трубки кожухотрубных аппаратов изготовляют прямыми или изогнутыми (U-образными) диаметром от 12 до 57 мм. Материал трубок выбирается в зависимости от среды, омывающей ее поверхность. Применяются трубки из стали, латуни и из специальных сплавов. Крышки кожухотрубных аппаратов имеют форму плоских плит, конусов, сфер, а чаще всего выпуклых или вогнутых эллипсов.

Целью данной курсовой работы является выполнение теплового и гидравлического расчетов кожухотрубного теплообменного аппарата.

Тепловой расчет сводится к определению площади поверхности теплообмена F и теплопроизводительности аппарата Q.

Гидравлический расчет сводится к определению потерь давления в трубном Р_тр и межтрубном Р_мт пространствах, а также к определению мощностей насосов для прокачки теплоносителей и N₂ соответственно.

Исходными параметрами являются:

1) греющая среда, температура на входе и на выходе , допустимый диапазон скоростей w₁;

2) нагреваемая среда, ее расход G₂ , температура на входе и на выходе , допустимый диапазон скоростей w₂;

3) геометрические характеристики поверхности теплообмена:

d₁ - внутренний диаметр трубок;

- толщина стенки трубок;

4) материал трубок.

В результате расчета необходимо определить:

1) недостающий расход G₁;

2) теплопроизводительность аппарата Q;

3) потери давления Р_тр и мощность насоса N₁ в трубном пространстве;

4) потери давления Р_мт и мощность насоса N₂ в межтрубном пространстве.

В кожухотрубном теплообменном аппарате реализована та же идея, что и в аппарате «труба в трубе», но вместо одной трубы в наружную трубу большого диаметра помещён пучок труб. Кожухотрубные теплообменники характеризуются компактностью. В 1м³объёма аппарата поверхность теплопередачи может достигать 200 м². Кожухотрубные испаритель затопленного типа.

Аппараты такого типа являются наиболее распространенными и применяются в машинах средней и крупной производительности. В таких испарителях рассол охлаждается при движении внутри труб, а рабочее вещество кипит на их наружной поверхности. Принципиального различия между аммиачными и хладоновыми аппаратами нет. Отличие состоит в конструкции поверхности теплообмена и материалах, применяемых для изготовления.

Недостатком этих испарителей является опасность повреждения труб из-за замерзания в них рассола при случайной остановке рассольного насоса или при недостаточной концентрации рассола.

Аммиачный кожухотрубный испаритель затопленного типа (рис 2.) представляет собой горизонтальный цилиндрический кожух 9 с двух сторон закрытый крышками 8,13. Трубы приварен» к трубным решетками 3.

Рис. 2

В отверстиях их развальцованы стальные трубы 2, по которым протекает рассол, делая 4-8 ходов, что достигается устройством перегородок 15 в крышках. Рассол поступает через нижний патрубок 6, приваренный к крышке спуска масла 13. Испарители снабжены указателем уровня 8, предохранительным клапаном 7, манометром 10, а также вентилем для слива рассола 12 и выпуска воздуха 11.

Маркировка. ИГР - 35 - испаритель кожухотрубный горизонтальный ребристый фреоновый с площадью теплопередающей поверхности 35 .

Кожухотрубный испаритель с прямыми (рис.3) и U-образными трубками. Принцип действия и конструкция этих испарителей мало, чем отличается друг от друга. Испарители представляют собой горизонтальный цилиндрический корпус 1 с одной или двумя боковыми крышками 2, в которых имеются перегородки 3 для увеличения числа ходов хладагента. Хладагент входит в патрубки 4, проходит по трубам 5, которые крепятся в трубных решетках 7, кипит и газообразный выходит в патрубках 6. Рассол поступает в трубопровод 8, протекает в межтрубном пространстве, охлаждается и выходит по трубопроводу 9.

Рис.3.

Для увеличения коэффициента теплоотдачи вежду трубами устанавливаются перегородки 11. В нижней части испарителя имеется вентиль для слива рассола 10, а в верхней части - вентиль для продувки аппарата 12.

теплоноситель насос температура

1. Тепловой расчет

1.1 Уравнения теплового баланса и теплопередачи

Тепловой расчет ТОА сводится к совместному решению двух уравнений: уравнения теплового баланса и уравнения теплопередачи.

Уравнение теплового баланса:

(1)

где Q - теплопроизводительность аппарата, Вт;

G₁, G₂ - соответственно массовые расходы греющего и нагреваемого теплоносителей, кг/с;

з - КПД аппарата, учитывающий потери теплоты от наружного охлаждения ТОА, з=0,98;

t', t” - температура теплоносителя соответственно на входе и выходе ТОА, ⁰С;

- средняя удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кг·К).

Уравнение теплопередачи

(2)

где - средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

- средний температурный напор, ⁰С;

F - поверхность теплообмена, м².

1.2 Определение производительности аппарата

Производительность аппарата рассчитывается по формуле (1), где средние удельные теплоемкости и , соответственно греющего и нагреваемого теплоносителей определили по таблице 11 [1], для средних температур греющего и нагреваемого теплоносителей определенных по формуле:

(3)

Где - средняя температура соответственно греющего и нагреваемого теплоносителя ТОА, ⁰С;

t₁', t₁” - температура греющего теплоносителя соответственно на входе и выходе ТОА, ⁰С;

t₂', t₂” - температура нагреваемого теплоносителя соответственно на входе и выходе ТОА, ⁰С;

;

;

Дж/(кг·К);

;

Q=2,15·10³·4,2·(141-6)=13,09•10⁵;

1.3 Определение расхода теплоносителя

Расход теплоносителя G₁ определяется из формулы (1) с помощью преобразований, кг/с:

;

.

1.4 Расчет среднего температурного напора

Средний температурный напор между теплоносителями в ТОА зависит от характера изменения температуры теплоносителя по поверхности теплообмена, от схемы их взаимного движения и других факторов. В данной курсовой работе схема взаимного движения теплоносителя - противоток.

Средний температурный напор определяется по формуле:

(4)

Где ?t_б и ?t_м - большая и меньшая разности температур теплоносителей, ⁰С.

?t_б= t₁”- t₂'=32 - 6 = 26;

?t_м= t₁'- t₂”=141 - 126 =15;

По формуле (4) находим средний температурный напор, ⁰С:

1.5 Определение коэффициента теплоотдачи

Для определения коэффициента теплоотдачи пользовались следующей формулой

; (5)

Где Nu - критерий Нуссельта;

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

d_э - эквивалентный диаметр (определяющий размер), м;

л - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К).

1.5.1 Определение режима течения жидкости

В последующем расчете работы необходимо определить режим течения теплоносителя.

(6)

где Re - критерий Рейнольдса;

w - скорость среды, м/с;

н - коэффициент кинематической вязкости, м²/с.

1.5.2 Теплоотдача при движении жидкости в трубе

По формуле (6) определяем критерий Рейнольдса, где н₁=0,365·10^-6 м²/с по средней температуре греющей среды из таблицы 11[1]:

т.к. Re>2300 режим течения является турбулентным, и для расчета критерия Нуссельта пользуемся следующей формулой:

(7)

где Pr_ж - критерий Прандтля по средней температуре греющей жидкости;

Pr_с - критерий Прандтля по средней температуре стенки;

Критерии Прандтля находятся по таблице 11 [1], по средним температурам жидкости и стенки, ⁰С. В качестве температуры стенки t_с,⁰С, примем t_с=79 ⁰С. Следовательно: = 2,21; = 2,184.

Находим критерий Нуссельта:

Далее находим коэффициент теплоотдачи б, Вт/(м²·К), л=67,4·10^-2 Вт/(м·К):

;

1.5.3 Определение эквивалентного диаметра

(8)

D - диаметр кожуха ТОА, м;

n - количество трубок в ТОА;

- наружный диаметр латунных трубок ТОА, м;

- эквивалентный диаметр, м;

; (9)

диаметр зависящий от характера размещения труб и принимается по таблице 8 [4], м;

к - кольцевой зазор между крайними трубами и кожухом;

;

;

к=0,006;

;

;

1.5.4 Теплоотдача при продольном обтекании труб

По формуле (7) определяем критерий Рейнольдса, где н=122,45·10^-6 м²/с по средней температуре нагреваемой среды по таблице 18[1]:

Режим течения жидкости ламинарный. Определим критерий Рэлея:

,

Где в₂ - коэффициент температурного расширения, К^-1. Определяется по таблице

н₂ - коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

- эквивалентный диаметр, м;

Pr₂ - критерий Прандтля для нагреваемой среды.

в₂, н₂, Pr₂ определяются по средней температуре между средней температурой жидкости и температурой стенки, t_г2, ⁰С, по таблице 18[1].

н₂ = 65,1•10^-6

в₂ = 6,542•10^-4

Pr₂ = 960

Так как Ra₂ > 8•10⁵, то режим течения в межтрубном пространстве - ламинарный вязкостно-гравитационный. Критерий Нуссельта определяем по формуле:

(10)

Где Pr_ж - критерий Прандтля по средней нагреваемой температуре жидкости, Pr_ж=1760;

Pr_с - критерий Прандтля по средней температуре стенки, Pr_с=571,2;

По формуле (10) находим критерий Нуссельта:

Далее находим коэффициент теплоотдачи б₂, Вт/(м²·К), л=0,1295 Вт/(м·К):

1.6 Расчет среднего коэффициента теплопередачи

В теплообменном аппарате соотношение диаметров трубок близко к единице, d_н/d_в<1,8; то коэффициент теплопередачи через цилиндрическую стенку может быть определён по формуле для плоской стенки:

(11)

где - средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К);

д - толщина стенки трубки, м;

л - коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К);

б_1, б₂ - соответственно коэффициенты теплоотдачи греющего и нагреваемого теплоносителей, Вт/(м²·К).

Материал, из которого изготовлена трубка - медь, имеет коэффициент теплопроводности при известной температуре стенки л=386,52 Вт/(м·К). Подставляя известные данные в формулу (11), определяем средний коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К):

1.7 Расчет поверхности теплообмена

Поверхность теплообмена F, м², можно вычислить из формулы (2):

;

;

1.8 Расчет количества трубок

Количество трубок определяется по следующей формуле :

(12)

Где G - расход теплоносителя, кг/с;

F - поверхность теплообмена, м²;

d_н - наружный диаметр трубки, м;

W - скорость теплоносителя, м/с;

- плотность теплоносителя, кг/м³ ;

Так как б₁ >> б_2,то, d_ср=d_н=0,018; Далее считаем количество трубок по формуле (12) и округляем значение в большую сторону

1.9 Определение температур стенки

В данной курсовой работе необходимо рассчитать температуры стенки со сторон, греющей и нагреваемой жидкости, для этого будет необходимо воспользоваться рядом формул:

(13)

где q - плотность теплового потока, Вт/м²;

(14)

Где - средние температуры стенки соответственно со сторон греющей и нагреваемой жидкости, ⁰С;

- средняя температура соответственно греющего и нагреваемого теплоносителя ТОА, ⁰С;

;

После преобразования формулы (14) находим температуры стенки, ⁰С:

После этого находим среднюю температуру стенки, ⁰С:

; (15)

Для проверки правильности выбора температуры стенки t_с сравниваем с определенной , по формуле:

(16)

где у - невязка, %, которая должна не превышать 5%;

1.10 Расчет длины трубок ТОА

; (17)

l - длина трубок ТОА, м;

- наружный диаметр трубки, м;

n - количество трубок ТОА;

;

На этом тепловой расчет закончен.

2. Гидравлический расчет

2.1 Расчет мощности насоса для прокачки греющего теплоносителя

Мощность насоса N, Вт, находится по следующей формуле:

(18)

Где ?р - полный напор, Па;

с - плотность теплоносителя, кг/м³;

з - КПД насоса, з=0,75;

расход жидкости, кг/с;

Суммарные потери, Па, определяются по формуле:

(19)

Где ?р_l - сопротивление трения по длине канала, Па;

?р_м - потери напора в местных сопротивлениях, Па.

Потери давления на преодоление сил трения в каналах, Па, рассчитываются по формуле:

(20)

Где о - коэффициент сопротивления трения;

l - длина канала, м;

d - диаметр канала, м;

w - скорость движения теплоносителя, м/с.

Коэффициент сопротивления трения определяется по формуле:

 (21)

Потери давления в местных сопротивлениях для внутритрубного пространства,

Па, определяется по формуле:

(22)

где ж= - коэффициент местного сопротивления.

; (23)

; (24)

; (25)

; (26)

где площадь сечения кожуха ТОА ,;

площадь сечения трубок ТОА, м²;

расход греющей жидкости ,кг/с;

Для межтрубного пространства, Па:

(27)

Где Eu - число Эйлера.

 (28)

Где s₁ и s₂ - поперечный и продольный шаги в коридорном пучке, м, s₁= =s₂=0,0336;

z - число ходов в теплообменнике, z=1.

Показатель степени m рассчитывается по формуле:

(29)

Зная все формулы и значения физических величин можно приступать к определению мощности насоса для прокачки греющей жидкости.

Определяем потери на местных сопротивлениях, Па, по формуле (22):

;

;

;

ж=0,44+0,39=0,83;

Потери давления на преодоление сил трения, Па, рассчитываются по формулам (20) и (21):

Суммарные потери, Па, определяется по формуле (19) :

;

Мощность насоса для прокачки греющей жидкости (воды), Вт, рассчитывается по формуле (18):

2.2 Расчет мощности насоса для прокачки нагреваемого теплоносителя.

Зная формулы, находим число Эйлера:

;

Определяем потери на местных сопротивлениях, Па, по формуле (27):

Потери давления на преодоление сил трения, Па, рассчитываются по формулам (20) и (21):

Суммарные потери, Па, определяются по формуле (19):

Мощность насоса для прокачки нагреваемой среды (масла), Вт, рассчитывается по формуле (18):

Заключение

В данной курсовой работе были произведены тепловой и гидравлический расчеты кожухотрубного теплообменного аппарата.

В результате теплового расчета было определено:

1) теплопроизводительность аппарата Q = 812,7 кВт;

2) площадь поверхности теплообмена F = 112,88 м².

В результате гидравлического расчета было определено:

1) потери давления Р_тр = 476496,6 Па и мощность насоса N₁ = 1613 Вт в трубном пространстве;

2) потери давления Р_мт = 1053185 Па и мощность насоса N₂ = =6739,6 Вт в межтрубном пространстве.

Библиографический список

1. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. -М.: Энергия. 1980. 280с

2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Учебник для вузов. 3-е изд. перераб. и доп. -М.: Энергия. 1975. 488с.

3. Юдаев Б.Н. Теплопередача. -М.: Высшая школа.1973.

4. Методические указания для выполнения курсовой работы по курсу «Тепломассообмен» для студентов дневного обучения специальности «Промышленная теплоэнергетика» / ВГТУ; Сост.: С.В. Дахин, И.Г. Дроздов, В.В. Портнов. Воронеж. 1997. 26с.

Приложение

Эскиз теплообменного аппарата

где t₁', t₁”, G₁ - температура и расход греющего теплоносителя соответственно на входе и выходе ТОА, ⁰С и кг/сt₂', t₂”, G₂ - температура и расход нагреваемого теплоносителя соответственно на входе и выходе ТОА, ⁰С и кг/с

Размещено на Allbest.ru

...