Размещено на http://allbest.ru

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

ИРКУТСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Институт энергетики

Кафедра теплоэнергетики

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по дисциплине: Тепломассообмен

Тепловой конструктивный расчет вертикального кожухотрубчатого холодильника для охлаждения дисперсных материалов

Выполнил студент группы Харебин А.С.

Нормоконтроль Иванов С.Д.

Иркутск 2017 г.

Содержание

Введение

1. Задание на курсовую работу

2. Расчёты секций холодильника

2.1 Расчет 1 секции

2.2 Расчет 2 секции

2.3 Расчет 3 секции

3. Дополнительное задание

Заключение

Список использованных источников

Введение

В настоящее время в ряде отраслей промышленности охлаждение после термообработки дисперсных сыпучих материалов, таких как кокс, глинозём, клинкер для производства цемента, производится в барабанных вращающихся холодильниках, орошаемых снаружи водой. При этом физическая теплота нагретых материалов теряется. Применение неподвижных вертикальных кожухотрубчатых холодильников, охлаждаемых жидкими или газообразными теплоносителями, проходящими в межтрубном пространстве, является перспективным направлением утилизации этой теплоты. Скорость движения плотного слоя мелкодисперсных материалов в вертикальных трубах под действием гравитационных сил при низкой теплопроводности материалов, мала, движение обычно нестеснённое, что исключает перемешивание материала в поперечном сечении.

Такое движение является безградиентным, т.е. стержнеподобным. При этом плотный движущийся, как и неподвижный, слой рассматриваются как сплошная среда с эффективными характеристиками. Интенсивность теплообмена при стержнеподобном движении плотного слоя определяется эффективной теплопроводностью неподвижного слоя л_эфф, которая для ряда материалов определена экспериментально. Это даёт основание производить расчёт охлаждения (нагрева) такого слоя в среде с постоянной температурой по формулам нестационарной теплопроводности бесконечного цилиндра при граничных условиях 3^го рода. При изменении температуры внешней среды (холодного теплоносителя) вдоль поверхности теплообмена тепловой расчёт можно выполнять по формулам теплопередачи. При этом, как показали исследования, коэффициент теплоотдачи на границе слой-стенка трубы б₁ при безградиентном течении прямо пропорционален эффективной теплопроводности материала л_эфф.

1. Задание на курсовую работу

Условие. Слой нагретого дисперсного материала с постоянной начальной температурой t₀ охлаждается в вертикальном 3^х секционном трубчатом теплообменном аппарате.

В 1^й, верхней, секции материал охлаждается через стенку труб воздухом с расходом V, движущимся со скоростью w в межтрубном пространстве в поперечном направлении, совершая при этом m ходов.

Во 2^й секции материал с температурой на входе охлаждается через стенку кипящей водой при температуре t_н, т.е. происходит испарительное охлаждение материала. При расчёте температуру стенки считать равной температуре насыщения, .

В 3^ю секцию материал поступает при средней температуре . Здесь происходит доохлаждение материала до температуры через стенку водой, поступающей в нижнюю часть третьей секции с расходом D и температурой .

Задание. В 1^й секции рассчитать температуру материала на выходе , площадь поверхности теплообмена F₁, длину труб l₁, их количество N и число рядов Z, а также скорость движения материала в трубах w₁.

Во 2^й секции рассчитать площадь поверхности теплообмена F₂, длину труб l₂ (при этом количество и компоновка труб остаются теми же, что и в 1^й секции) и количество получаемого сухого насыщенного пара D_п.

В 3^й секции рассчитать температуру воды на выходе , площадь поверхности теплообмена F₃ и длину труб l₃.

При расчёте принять теплопотери с наружной поверхности хододильника в 1^й секции - 5%, во 2^й секции - 3%, в третьей, нижней, секции теплопотерями пренебречь.

Дополнительное задание. Рассчитать и построить графически температурное поле в слое материала t = f(r) в поперечном сечении труб на выходе из 2й секции, задавая следующие значения безразмерной координаты: d/d1 = 0; 0,125; 0,25; 0,5; 0,75;1,0;[2]

Рис. Вертикальный кожухотрубчатый холодильник для охлаждения дисперсных материалов

Исходные данные. В таблице 1 и 2 приведены исходные данные для расчета.

Таблица 1 - Исходные данные

Вариант

Параметры пучка труб

Охлаждаемый материал

Пу-чок

n

d1, мм

d2, мм

S1, мм

S2, мм

m

М-л

G·103, кг/ч

t0, 0C

t,,1(2)0C

20

Ш

8

69

76

120

90

2

Глин

10

1150

270

Таблица 2 - Исходные данные

Нагреваемая среда	ДЗ
1с. Воздух	2с. tн, 0С	3с. вода
V·103, м3/ч	w, м/с	t,2(1), 0C	t,,2(1), 0C		D·103, кг/ч	t,2, 0C	M
9,2	8	0	650	230	16	15	3	4

Физические характеристики охлаждаемого материала:

глинозём

теплопроводность, Вт/(м.К) l = 0,199 + 0,16.10-3t

теплоёмкость, Дж/(кг.К) с = 1128 + 0,127.T

плотность, кг/м3 r = 1200

2. Расчёты секций холодильника

2.1 Расчет 1 секции

1. Запишем уравнение теплового баланса в общем виде:

2. Находим теплоту, воспринимаемую холодильником:

3. Находим теплоту, отдаваемую горячим носителем:

4. Находим теплоту материала на выходе:



5.Рассчитываем коэффициент теплопередачи:

где коэффициент теплоотдачи от глинозёма к стенки,

коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху.

Если рассматривать стержнеподобное движение плотного слоя дисперсного материала как безградиентное движение некоторой псевдожидкости, то безразмерной характеристикой интенсивности теплоотдачи на границе слой-стенка является критерий Нуссельта. Установлено, что при указанных условиях число Нуссельта является постоянной величиной:

,

где эффективная теплопроводность,

,

,

(Вт/мК),

,

.

Для из таблицы определяем.

(Вт/мК),

(м/с),

Pr=0,675,

.

1000<11717,0939<2М 10^5, следовательно, смешанный режим течения, а значит расчетная формула критерия Нуссельта для шахмотного пучка:

Nu =0,41Re^0.60.Pr^0.33.(Prж/ Prc)^0.25

Для газов поправку Михеева М.А. (Prж/ Prc)^0.25 вводить не следует, т.к. число Прандтля (Pr) для газов мало зависит от температуры.

Nu = 0,41(11717,0939)^0,6М(0,675)^0,33=99,44

5. Рассчитываем температурный напор:

Dt = (Dt_б - Dt_м)/ln(Dt_б/Dt_м) = = 497,512 ^оС.

6. Определяем площадь поверхности теплообмена:

7. Выполняем конструктивный расчёт: Расчет начинается с определения расхода внешнего теплоносителя при егo средней температуре. При этом давление приближенно считается постоянным и равным атмосферному давлению при НФУ. Для расчета используется уравнение состояния идеального газа:

где расход теплоносителя при НФУ; =2,5 ( ),

,

Т- средняя температура теплоносителя; К,

.

Затем определяем площадь живого сечения пучка для одного хода поперечного движения теплоносителя: .

Далее определяем площадь “просвета” пучка в каждом ряду на 1 погонный метр длины труб:

 ().

Длина труб определяется по уравнению:

(м).

Определяем число труб и количество рядов в пучке:

,

где d-расчетный диаметр.

Т.к. , то .

Число труб: .

Число рядов: .

Округлим число рядов до целых чисел: z=21, тогда N=21Ч10=210.

Уточним площадь поверхности теплообмена:

().

Расчет скорости движения материала в трубах производиться по уравнению неразрывности потока:

,

где -плотность материала в слое;

где f-площадь внутреннего сечения трубы,

.

- плотность нефтяного прокаленного кокса,

G=2,8 кг/с),

.

2.2 Расчет 2 секции

В данной секции горячий теплоноситель - глинозём; вторичный - кипящая вода.

1. Определяем среднюю температуру глинозёма:

,

К

2. При данной температуре определим параметры глинозёма:

3. Затем определяем среднюю безразмерную избыточную температуру материала на выходе из трубы:

.

При >0,25, т.е. когда время пребывания материала в трубах достаточно велико, то ряд становится быстро сходящимся и расчет производства по величине первого члена ряда. Из формулы: путем логарифмирования определяется число Фурье:

,

4. Определяем время пребывания материала в трубе:

.

5. Определяем длину трубы:

6. Определяем площадь поверхности теплообмена пучка труб:

.

7. Определяем теплоту, отдаваемую материалом при охлаждении:

8. Определяем количество сухого насыщенного пара:

2.3 Расчет 3 секции

1. Определяем среднюю температуру кокса и его параметры при этой температуре:



2. Находим теплоту, отдаваемую горячим теплоносителем:

3. Определяем температуру воды на выходе:

4. Определяем температурный напор:



5. Определяем коэффициент теплопередачи:

6. Находим площадь поверхности теплообмена длину труб:

В таблице 3 представлены расчетные данные.

Таблица 3- Расчетные данные

№ сек	Q2 кВт	Q1 кВт	б1, Вт/м2·К	б2, Вт/м2·К	k , Вт/м2·К
1	2212,48	2328,936	30,035	62,15	20,249	497,512	231,18	5,838	210
2	741,017	763,935	-	-	-	-	238,185	5,235	210
3	597,507	597,507	20,733	-	20,11	515,523	57,634	2,218	210

3. Дополнительное задание

Рассчитать и построить графически температурное поле в слое материала t = f(r) в поперечном сечении труб на выходе из 2^йсекции,задавая следующие значения безразмерной координаты:

d/d₁ = 0; 0,125; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0

При Biµ величины табулированных функций следующие:

m₁ = 2,4048, m₁² = 5,784, N = 1,606, M = 0,692.

Распределение температуры материала по сечению трубы может быть рассчитано по уравнению:

;

=

t=

=0

и=1,606*1*(0)*exp(-5,784*0,264)=0

t=0*(493,6-230)+230=230 ^оС

=0,125

и=1,606*0,999375*(0,125*2,4048)*exp(-5,784*0,264)=0,08508

t=0,08508*(493,6-230)+230=187,965 ^оС

=0,25

и=1,606*0,9714*(0,25*2,4048)*exp(-5,784*0,264)=0,16541

t=0,16541*(493,6-230)+230= 214,37 ^оС

=0,5

и=1,606*0,9385*(0,5*2,4048)*exp(-5,784*0,264)=0,3196

t=0,3196*(493,6-230)+230=265,05252 ^оС

=0,75

и=1,606*0,77539 *(0,75*2,4048)*exp(-5,784*0,264)=0,3961

t=0,3961*(493,6-230)+230= 290,198 ^оС

=1

и=1,606*0,7652*(1*2,4048)*exp(-5,784*0,264)=0,5212

t=0,5212*(493,6-230)+230= 331,3184 ^оС

Рисунок 1 - График распределения температуры материала по сечению трубы

холодильник теплоотдача нуссельт температура

Заключение

При выполнении данной курсовой работы был произведен тепловой конструктивный расчет вертикального кожухотрубчатого холодильника для охлаждения дисперсных материалов: рассчитана площадь теплообмена в каждой секции, проведён конструктивный расчет, в каждой секции найдена длина и число труб, а так же коэффициент теплоотдачи и теплопередачи.

Результаты представлены в таблице 3.

Получены навыки в расчетах теплового потока, коэффициента теплопередачи, среднего температурного напора для сложных схем движения теплоносителей и в расчетах теплоотдачи и теплопередачи при наружном поперечном омывании теплоносителями пучков труб.

Список использованных источников

1. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. - М.: Энергоатомиздат, 1987.-328 с.

2. Домрачев Б.П. Тепловой расчет пароводяных теплообменных аппаратов ТЭС. МУ по выполнению курсовой работы по ТМО. - Иркутск: ИрГТУ, 2007. - 28 с.

3. Назмеев Ю.Г., Лавыгин В.М. Теплообменные аппараты тепловых электрических станций. - М.: Энергоатомиздат, 1998г. - 285 с.

4. Авчухов В.В., Паюсте Б.Я. Задачник по процессам тепломассообмена. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 144 с.

5. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: справочник. - М.: Издательство МЭИ, 1999. - 168 с.

Размещено на Allbest.ru

...