Расчет теплообменных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра энергоснабжения и теплотехники

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: Тепломассообмен

тема: «Расчет теплообменных аппаратов»

Выполнил: студент 2 курса

факультета заочного обучения

Русс Ю.Н.

Специальность: ЭОП -14с.

Проверил доцент кафедры ЭиТ

Карапузова Н.Ю.

Волгоград 2015



ЗАДАНИЕ

Запроектировать вертикальный пароводяной подогреватель, предназначенный для подогрева воды систем отопления в цехах производственных помещений, при следующих условиях:

Дано

G_в=215 м³/ч;

P_п =0.55.МПа

t'_в=17°С;

t''_в=81°С;

P_в =0.141.МПа

t_п =200°С



РЕШЕНИЕ

Определение тепловой нагрузки аппаратов

°С

Где - температуру воды на входе в подогреватель; - температура воды на выхода из подогревателя.

°С

Где - температура перегретого пара, °С; - температура насыщенного пара °С.

Физические величины	при t=49°C	при t=182°C
Плотность, кг/м3	св=983,1	сп=5.157
Теплоемкость, кдж/кг·°С	св=4,174	сп=2.709
Теплопроводность, Вт/(м·°С)	лв=0,648	лп=0,03268
Кинематическая вязкость, м2/с	хв=0,556	хп=2.93
Критерий Прандтля для среды	Prв=3,54	Prп=1,25

Количество теплоты, кВт, передаваемой паром воде

Q=G_вp_вc_в(= 0,0597*983,1*4,174*(=15678,5

Количество теплоты, кВт, передаваемой паром воде в 1-й зоне

Q₁=D_nC_n(= 7,42*2,709*(=723,7

Массовый расход пара, кг/с



Количество теплоты, кВт, передаваемой паром во 2-й зоне

Q₂=D_nr=7,42*2015,2=14952,8

Суммарное значение переданной теплоты паром воде

Q=Q₁+Q₂=723,7+14952,8=15676,5кВт

Расчет коэффициента теплопередачи и конструктивных размеров аппарата

/м

Определяем режим течения воды в трубах

Re= =

Критерий Нуссельта для турбулентного режима течения определяется по следующей формуле:

Nu_ж= 0,023·Re^0.8·Pr^0,4·е₁=0,023·97122,3^0.8·3,54^0,4·1=372,5

Из критериального уравнения Нуссельта определяем коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки трубки к воде



Рассчитываем количество трубок в трубной решетке

;

Диаметр трубной решетки будет

8*48=384 мм

Внутренний диаметр корпуса аппарата составит

384+38+20=442

К=10 мм;

При ромбическом расположении труб число шестиугольников для размещения труб определяется

Число труб по диагонали наибольшего шестиугольника составит

l=2m+1=2*4+1=9

Общее число труб в шестиугольниках будет



nⁱ=1+3m+3m²

при радиальном шаге t радиусы окружностей будут

r_i= it; r_i<d_гр/2

соответственно длины окружностей будут равны

c_i=2р·i·t

число труб на каждой окружности определится по формуле

n_i=2рi

Поверхность теплообмена в 1-й зоне. Определяем площадь пространства для прохода пара

Скорость пара в межтрубном пространстве

Для вычисления коэффициента теплоотдачи от пара к трубке находят критерий Рейнольдса для пара

Где d_э - эквивалентный диаметр, м, рассчитывают

Где U=3,14*(0,5+61*0,038)=8,85

Критерий Рейнольдса соответствует установившемуся турбулентному движению пара, поэтому критерий Нуссельта будет определен по формуле

Nu_ж= 0,023·Re^0.8·Pr^0,4=0,023·^0.8·1,25^0,4=312,3

Где Pr- число Прандтля для пара.

Из критериального уравнения Нуссельта находят коэффициент теплоотдачи от пара к стенки трубки

Где л_n - коэффициент теплопроводности пара, Вт/(м·°С)

Коэффициент теплопередачи в 1-й зоне, Вт/(м²·°С)

Температурный напор в 1-й зоне будет найден, °С



Где - температура воды на границе между зонами, °С.

Поверхность теплообмена 1-й зоны составит

Удельный тепловой поток от пара к стенке, Вт/м²

=365,8

Данные для построения кривой

	10	20	30	40	50	60	70	80
	5,6	9,5	12,8	15,9	18,8	21,6	24,2	26,7
	52,3	88,7	119,6	148,5	175,6	201,7	226	249,4

Определяем плотность теплового потока через стенку, кВт/м²

Данные для построения кривой

	10	20	30	40	50	60	70	80
	390	780	1170	1560	1950	2340	2730	3120

Удельный тепловой поток через накипь, кВт/м²

Данные для построения кривой

	10	20	30	40	50	60	70	80
	30,3	60,6	90,9	121,2	151,5	181,8	212,1	242,4

Удельный тепловой поток от стенки к воде, кВт/м²

q₄=0,001·б_ж·

Данные для построения кривой

	10	20	30	40	50	60	70	80
	67,05	134,1	201,2	268,2	335,3	402,3	469,4	536,4

график температурного напора:

Средний температурный напор во 2-й зоне, °С

Отсюда средний удельный тепловой поток, кВт/м²

Полная разность температур между теплоносителями

39,1+4,5+48,3+18,2=110,1

Коэффициент теплопередачи во 2-й зоне будет найден

Поверхность теплообмена во 2-й зоне, м²

Суммарная поверхность теплообмена, м²

34,6+100,1=134,7

Общая длина трубок, м

где d_ср -- средний диаметр трубок, d_ср = 0,037 м. Число ходов подогревателя пароводяной подогреватель кожухотрубчатый теплообмен

Z = L /h_тр = 19/9=2,1

Принимаем четырехходовой подогреватель.

Общее число трубок подогревателя составит

n_тр = nZ = 61*4=244



Для определения диаметра корпуса необходимо пересчитать размеры трубной решетки. Поскольку аппарат четырехходовой, необходимо предусмотреть место для перегородок и анкерных связей и в каждом ходе разместить по 61 трубке.

Принимаем ромбическое расположение труб в трубной решетке. По табл. 5 (прил. 2) находим действительное значение количества труб в решетке n = 301 и относительный диаметр трубной решетки d_тр/t = 18. Шаг между трубками диаметром d_нар = 38 мм равен t = 48 мм (прил. 2, табл. 6), тогда диаметр трубной решетки будет

d_тр = (d_тр/t) t = 18*48=864

Кольцевой зазор k между крайними трубками и корпусом принимаем равным 10 мм.

Внутренний диаметр корпуса аппарата составит

D_а.вн = d_тр + d_нар + 2k = 864+38+20=922 мм

Внутренний диаметр многоходового теплообменника определяют с учетом размещения перегородок в распределительной камере и руководствуются рекомендациями. Принимаем D_а.вн = 1000 мм.

Определяют площадь межтрубного пространства без учета перегородок для прохода пара, м²

Коэффициент, учитывающий сужение живого сечения межтрубного пространства



Расстояние между сегментными перегородками, м

Эквивалентная длина пути теплоносителя, м

L_экв = l_с + D_а.вн - 1,74 + 1 -

Площадь живого сечения межтрубного пространства с учетом перегородок

Скорость пара в межтрубном пространстве

Для вычисления коэффициента теплоотдачи от пара к трубке находят критерий Рейнольдса для пара

где d_э -- эквивалентный диаметр, м

где U = р(D_а.вн + nd_нар) =39,1 м -- смоченный периметр.

Критерий Рейнольдса соответствует установившемуся турбулентному движению пара, поэтому критерий Нуссельта будет определен по формуле

Nu_ж = 0,023·Re^0,8 ·Рr^0,4 =0,023·51112,6^0,8 ·1,21^0,4 =145,1

где Рr -- число Прандтля для пара.

Из критериального уравнения Нуссельта находят коэффициент теплоотдачи от пара к стенке трубки

где л_п -- коэффициент теплопроводности пара, Вт / (м²·°С).

Коэффициент теплопередачи в 1-й зоне, Вт/(м²·°С)

где R_нак = 0,00033 м²·°С/Вт -- термическое сопротивление накипи.

Считаем, что температурный напор в 1-й зоне не изменится Дt₁ = 113,1 °С, тогда поверхность теплообмена 1-й зоны составит

Так как температурный напор Дt₂ = 113,5 °С во 2-й зоне не изменяется, то коэффициент теплопередачи останется прежним k₂ =Вт / (м²·°С), а следовательно, поверхность теплообмена также не изменится F₂ = 100,1 м². Суммарная поверхность теплообмена

F = F₁ + F₂ = 34,05+100,1=134,15

Длина трубок, м, в одном ходу

Гидравлический расчет кожухотрубчатого теплообменника

Расчет мощности, необходимой для перемещения воды через подогреватель

Этот расчет определяет количество энергии, затраченной на движение теплоносителей через аппарат. Гидравлическое сопротивление пароводяных теплообменников по межтрубному пространству, как правило, не определяется, так как его значение вследствие небольших скоростей и малой плотности пара мало.

Полный напор ДР, необходимый для движения жидкости или газа через теплообменник, определяется по следующей формуле, Па:

ДP = УДP_тр + УДP_м + УДP_у + УДP_г,

где УДP_тр -- сумма гидравлических потерь на трение, Па; УДP_м -- сумма потерь напора в местных сопротивлениях, Па; УДP_у -- сумма потерь напора, обусловленных ускорением потока, Па; УДP_г -- перепад давления для преодоления гидростатического столба жидкости, Па.

Гидравлические потери на трение в каналах при продольном омывании пучка труб теплообменного аппарата определяются по формуле, Па

где л_тр -- коэффициент сопротивления трения; L -- суммарная длина трубок, м; d_э -- эквивалентный диаметр, равный внутреннему диаметру трубок, м; щ -- средняя скорость воды на данном участке, м/с; с -- плотность воды, кг/м³.

Коэффициент сопротивления трения для чистых трубок можно рассчитать по формуле

Вычисляем

ДР_тр =

Гидравлические потери давления, Па, в местных сопротивлениях определяются по формуле

ДР_м = о

где о -- коэффициент местного сопротивления, его находят как сумму сопротивлений каждого элемента подогревателя (о = 1,5).

Так как для капельных жидкостей потери давления ДP_у ничтожно малы, то они в расчет не принимаются (ДP_у = 0).

Перепад давления для преодоления гидростатического столба жидкости равен нулю (ДP_г = 0), так как данный подогреватель не сообщается с окружающей средой.

Полный напор, необходимый для движения воды через аппарат ДP = ДP_тр + ДP_м =1911,1+2388,9=4300

Мощность, необходимая для перемещения воды через подогреватель

где G_в -- объемный расход воды, м³/с; з = 0,85 -- коэффициент полезного действия насоса.

Расчет диаметров патрубков

Для определения размеров патрубков для воды (входной и выходной патрубки) вычисляют площадь сечения патрубка

Тогда диаметр патрубка

Для определения диаметра входного патрубка пара задаются скоростью пара на входе в патрубок щ_п = 35 м/с и рассчитывают площадь сечения патрубка

где D_п -- массовый расход пара, кг/с; с_п -- плотность пара при средней температуре пара, кг/м³.

Тогда диаметр входного патрубка для ввода пара

=0,23

Скорость конденсата в выходном патрубке принимают равной щ_к = 3 м/с.

Площадь сечения патрубка

Тогда диаметр патрубка для выхода конденсата

Находят размеры патрубка для откачки воздуха.

Площадь сечения патрубка

где ;с_воз = 0,798 кг/м³ -- плотность воздуха при средней температуре пара

Тогда диаметр патрубка для откачки воздуха

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. В.М. Фокин, Н.М. Веселова; Тепломассообмен: Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. Волгоград: ВолгГАСУ, 2007. 108с.

2. Н.Ю. Карапузова, В.М. Фокин; Расчет теплообменных аппаратов: Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет. Волгоград: ВолгГАСУ, 2013. 64с.

3. Кудинов, А.А. Тепломассообмен: учебное пособие для вузов / А.А. Кудинов - М.: ИНФРА-М, 2012. - 374 с.

4. Цветков, Ф.Ф. Тепломассообмен: учеб. пособие для студ. вузов / Ф.Ф. Цветков, Б.А. Григорьев. - М.: Изд-во МЭИ, 2006. - 549 с.

5. Исаченко, В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. - М.: Энергия, 1981. - 416 с.

6. Орлов, М.Е. Тепломассообмен: учебно-методический комплекс /М.Е. Орлов. Ульян. гос. техн. ун-т. - Ульяновск: УлГТУ, 2005. - 138 с.

Размещено на Allbest.ru

...