ВВЕДЕНИЕ
Развитие силовых установок во всех областях техники в настоящее время характеризуется резким увеличением мощности в одном агрегате, повышением эффективного к.п.д. установок. Успешное решение этих задач не возможно без применения совершенных теплообменных устройств.
В зависимости от назначения аппараты используют как нагреватели и как охладители. Теплообменники по способу передачи теплоты подразделяют на поверхностные, где отсутствует непосредственный контакт теплоносителей, а передача тепла происходит через твёрдую стенку, и смесительные где теплоносители контактируют непосредственно. Поверхностные теплообменники в свою очередь подразделяются на рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой.
Рекуперативными называют теплообменники, в которых теплообмен между теплоносителями происходит через разделяющую их стенку. Они могут работать как в непрерывном, так и в периодических режимах. Большинство рекуперативных теплообменников работают в непрерывном режиме.
Кожухотрубчатые теплообменники получили наибольшее распространение, они предназначены для работы с теплоносителями жидкость-жидкость, газ-газ и представляют собой аппараты выполняемые из пучков труб. По количеству ходов все кожухотрубчатые теплообменники делят на: одна, двух, четырёх и шестиходовые.
Пластинчатые теплообменники имеют плоские параллельные поверхности теплообмена, которые образуют каналы для прохода теплоносителей. Такие теплообменники применяют для теплоносителей с примерно равными коэффициентами теплоотдачи. Для интенсивности процесса теплообмена и для увеличения площади поверхности теплообмена пластинам придают различный профиль.
Выполнение курсовой работы по курсу «Тепломассообмен» позволит закрепить знания по основным разделам дисциплины.
Курсовая работа состоит из расчётной части и графической и выполняется по следующим разделам:
1. Тепловой конструктивный расчёт рекуперативного кожухотрубчатого теплообменника.
2. Тепловой расчёт пластинчатого теплообменника.
1. ТЕПЛОВОЙ КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ РЕКУПЕРАТИВНОГО КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты могут использоваться в качестве теплообменников, холодильников, конденсаторов и испарителей. Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро- и невзрывоопасным хладагентом) жидких и газообразных сред. Кожухотрубчатые теплообменники могут быть следующих типов: ТН – теплообменники с неподвижными трубными решетками; ТК – теплообменники с температурными компенсаторами на кожухе и жестко закрепленными трубными решетками; ТП – теплообменники с плавающей головкой, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой; ТУ – теплообменники с U-образными трубками, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой; ТС – теплообменники с сальником на плавающей головке, жестким кожухом и жестко закрепленной трубной решеткой (рисунок 1, Приложение 1).
Наибольшая допускаемая разность температур кожуха и труб для аппаратов типа Н может составлять 20–60 ºС, в зависимости от материала кожуха и труб, давления в кожухе и диаметра аппарата.
Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно-, двух-, четырех- и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников – из латуни. Распределительные камеры и крышки выполняют из углеродистой стали.
Данный расчет проводится для определения площади поверхности теплообмена стандартного водо-водяного рекуперативного теплообменника, в котором греющая вода поступает в трубы, нагреваемая вода – в межтрубное пространство.
Задание: Выполнить тепловой конструктивный расчет водоводяного рекуперативного подогревателя производительностью Q. Температура греющего теплоносителя на входе в аппарат ºСТемпературанагреваемоготеплоносителянавходевтеплообменник ºСизменениетемпературынагреваемоготеплоносителяваппаратеК. Массовый расход греющего теплоносителя – кг/с, нагреваемого теплоносителя – кг/с. Поверхность нагрева выполнена из труб диаметром мм
Трубывтрубнойрешеткерасположеныповершинамравносторонних треугольников. L – длина труб, предварительно принимается равной 3,0 м. Схема движения теплоносителей – противоток. Материал труб теплообменного аппарата выбирается в соответствии с вариантом. Потерями тепла в окружающую среду пренебречь.
1.1 Расчет количества передаваемого тепла
Уравнение теплового баланса для теплообменного аппарата имеет вид:
(1.1)
где – количество теплоты в единицу времени, отданное греющим теплоносителем, Вт;
– количество теплоты в единицу времени, воспринятое нагреваемым теплоносителем, Вт;
– потери теплоты в окружающую среду, Вт.
Так как поусловиютоколичествопередаваемоготеплавединицувременичерезповерхностьнагревааппаратаВт, ([7]):
где и– средние удельные массовые теплоёмкости греющего и агреваемого теплоносителей, в интервале изменения температур от до и от до , соответственно, кДж/кг (К.
Температура нагреваемого теплоносителя на выходе из теплообменника, ºС, ([7])
(ºС
Средняя температура нагреваемого теплоносителя, ºС:
(1.4)
(ºС
По температуре определяется значения методомлинейной интерполяции([])
(кДж/кг (К)
Количество теплоты в единицу времени, воспринятое нагреваемым теплоносителем, Вт[]
(1.5)
кВт
Методомлинейнойинтерполяцииопределяетсясредняяудельная массовая теплоёмкость греющего теплоносителя при температуре
(кДж/кг (К
Для условия, , определяется температура греющего теплоносителянавыходеизтеплообменникаºС
, (1.6)
(ºС
СредняятемпературагреющеготеплоносителяºС, []
(ºС)
По температуре определяется значения УточняетсяколичествотеплотыотданноегреющимтеплоносителемвединицувремениВт, ([7]):
(1.8)
(кВт).
Величина относительной погрешности%
% (1.9)
%
1.2 Определение интенсивности процессов теплообмена
Восновурасчётакоэффициентовтеплоотдачимеждутеплоносителямииповерхностьюстенкиположеныкритериальныеуравненияполученныеврезультатеобработкимногочисленныхэкспериментальныхданныхиихобобщениянаосноветеорииподобия
1.2.1 Расчёт интенсивности теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя
Посреднеарифметическомузначениютемпературы определяются значения физических свойств греющего теплоносителя:
– плотность, кг/м³, (кгм³)
– кинематический коэффициент вязкости, м²/с, м²с;
–коэффициенттеплопроводностиВтм·К, (Втм·К);
– критерий Прандтля,
В первом приближении температура стенки, ºС:
(1.10)
ºС
Поопределяется
,
Критерий Рейнольдса для потока греющего теплоносителя, ([7]):
(1.11)
где –средняяскоростьгреющеготеплоносителямс[]стр.6) , (м/с).
Врезультатесравнениявычисленногозначения с критическим числом = 2300 устанавливаем, что режим течения жидкости турбулентный и выбираем критериальное уравнение для расчета числа Нуссельта. Интенсивность теплоотдачи в круглых трубках зависит от режима движения теплоносителя.
При турбулентном режиме течения жидкости (Re > 2300) в круглых трубах и каналах число Нуссельта определяется по критериальной зависимости, ([7]):
Коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке трубы, Вт/(м²· К), ([7])
(1.16)
Вт/(м²· К)).
1.2.2. Расчёт интенсивности теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя
По среднеарифметическому значению температуры определяютсязначенияфизическихсвойств нагреваемого теплоносителя ([]:
–плотностьтеплоносителякгм³(кг/м³);
– кинематический коэффициент вязкости, м²/с,м²/с)
–коэффициенттеплопроводностиВтм·К (Вт/(м· К))
– критерий Прандтля
Число Рейнольдса для потока холодного теплоносителя,[]:
(1.17)
где – средняя скорость нагреваемого теплоносителя, м/с[]стр, (м/с.
ВрезультатесравнениявычисленногозначенияскритическимчисломвыбираемкритериальноеуравнениепокоторомуподсчитываетсячислоНуссельта
Придвижениитеплоносителявмежтрубномпространствекоэффициенттеплоотдачирассчитываютпоуравнению ([7]):
(1.18)
.
За определяющий геометрический размер принимают наружный диаметр теплообменных труб.
Коэффициент теплоотдачи от стенок трубного пучка к нагреваемому теплоносителю, Вт/(м²· К), ([7]):
(1.20)
Втм²·К.
.3Определениекоэффициентатеплопередачи
Если токоэффициенттеплопередачидляплоскойповерхноститеплообменасдостаточнойточностьюопределяетсяпоформулеВтм²·К[]
(Втм²·К
где, –термическиесопротивсторон стенки, (м2· К)/Вт ([1]), (м·КВт, ((м2· К)/Вт);
–толщинастенким
– коэффициент теплопроводности материала трубок ([7], таблица П.1.3), Вт/(м· К);
Втм·К)
Толщинастенкитрубкивычисляетсяпоформуле, ([7]):
(мм)
Вычисленное значение коэффициента теплопередачи сравнивается с ориентировочными значениями k для соответствующих теплоносителей ([1]).
1.4. Определение расчетной площади поверхности теплообмена
В аппаратах с прямо- или противоточным движением теплоносителей средняя разность температур потоков определяется как среднелогарифмическая между большей и меньшей разностями температур теплоносителей на концах аппарата[]:
(1.23)
ºС)
где –большаяразностьтемпературºС(ºСсмрис,
– меньшая разность температур, ºС (ºС)(см. рис1)
График изменения температур теплоносителей при противотоке, ([7], рис. П1.2)
Рис. Графическая зависимость для определения большей и меньшей разности температур теплоносителей