Курсовая работа - Конструкторский расчет рекуперативного теплообменного аппарата - файл n1.docx

Курсовая работа - Конструкторский расчет рекуперативного теплообменного аппарата
скачать (76.4 kb.)
Доступные файлы (1):

n1.docx

77kb.

06.11.2012 21:03

скачать

Дрейцер Г.А. Расчет регенеративного теплообменного аппарата ПВВРД (Документ)
Батуев Б.Б., Матханова В.Э., Старинский И.В. Тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата. Методические указания к курсовой работе (Документ)
Курсовая работа - Расчет восстановителя сухого молока ВСМ - 150 (Курсовая)
Кузнецов Е.В. Комлект программ двух компьютерных лабораторных стендов: противоточный теплообменник, истечение воздуха через сопла (Документ)
РГР-Расчет теплообменного аппарата (Расчетно-графическая работа)
Курсовая работа Расчет нежёстких ДО (Курсовая)
Кетат Л.В., Балашов В.А., Аристова Ю.В. (сост.) Расчет теплообменного аппарата (Документ)
Расчётно-графическое задание - Расчёт кожухотрубчатого теплообменного аппарата (Расчетно-графическая работа)
Клеметьев М.Ф., Журавлев А.А. Тепловой расчет воздухоохладителя (Документ)
Курсовой проект - Проектирование аппарата с рубашкой (Курсовая)
Курсовая работа - Конструирование и расчет ограждающих конструкций покрытия несущих трехшарнирных арок (Курсовая)
Курсовая работа - Экономический расчет по процедуре технологии маникюра (Курсовая)

n1.docx

d₂ d₁ D

l

L

1 2 3 4 5

- направление нагреваемой воды;

- направление греющей воды;

l – длина греющей части; L – общая длина; 1 – внутренняя (теплообменная) труба; 2 – наружная (кожуховая) труба; 3 — опора; 4 — решетка кожуховых труб; 5 — камера

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

Факультет «Энергетический»

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

«Конструкторский расчет рекуперативного теплообменного аппарата»

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

По дисциплине «Термодинамика и тепломассообмен».

ЮУрГУ – 140501.2011.553 ПЗ КР

Нормоконтролер Руководитель

_________________ Юртаев М.А.

________________2011 г. ______________2011 г.

Автор проекта

Студент группы АТ-341

Гофман А.В.

________________2011 г.

Проект защищен

с оценкой

_____________________

________________2011 г.

Челябинск 2011

Аннотация

Гофман А.В. Конструкторский расчет рекуперативного теплообменного аппарата: Курсовой проект по термодинамика и тепломассообмен.– Челябинск: ЮурГУ, 2011г. - 15 с
1 ил., библиография литературы – 5 наименований,

В проекте проведен расчёт рекуперативного теплообменного аппарата типа труба в трубе, используя исходные данные такие как: скорость или расход, начальные и конечные температуры, вязкость греющей и нагреваемой воды. В итоге расчёта нашли поверхность нагрева теплообменного аппарата.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

2

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

Разраб.

Гофман А. В.

Провер.

Юртаев М. А.

Н. Контр.

Утверд.

Конструкторский расчет

рекуперативного теплообменного аппарата

Лит.

Листов

15

ЮУрГУ

Кафедра ПТ

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

3

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

СОДЕРЖАНИЕ

Введение …………………………………………………………...4

Исходные данные………………………………………………….9

Расчет теплообменника…………………………………………...10

Заключение………………………………………………………...14

Библиографический список………………………………………15

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

4

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

Введение

Теплообменник, теплообменный аппарат — устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому). Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве.

Основные типы

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.

1.Поверхностные теплообменники

1.1.Рекуперативные теплообменники

Рекуперативный теплообменник — теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, в стенке между которыми происходит теплообмен. При неизменных условиях параметры теплоносителей на входе и в любом из сечений каналов, остаются неизменными, независимыми от времени, т.е процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стационарными.

В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.

Часто под рекуперативным теплообменником ошибочно понимается рекуперативный противоточный теплообменник. (В нём вместо уравнивания температурных потенциалов происходит их обмен, потери могут составлять до 30 %).

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

5

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

Наиболее распространённые в промышленности рекуперативные теплообменники:

Кожухотрубные теплообменники,
Элементные (секционные) теплообменники,
Двухтрубные теплообменники типа "труба в трубе",
Витые теплообменники,
Погружные теплообменники,
Оросительные теплообменники,
Ребристые теплообменники,
Спиральные теплообменники,
Пластинчатые теплообменники,
Пластинчато-ребристые теплообменники,
Графитовые теплообменники.

1.2.Регенеративные теплообменники

В регенеративных поверхностных теплообменниках теплоносители (горячий и холодный) контактируют с твердой стенкой поочерёдно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдаётся при контакте с холодным.

2.Смесительные теплообменники

Смесительный теплообменник (или контактный теплообменник) — теплообменник, предназначенный для осуществления тепло- и массообменных процессов путем прямого смешивания сред (в отличие от поверхностных теплообменников). Наиболее распространены пароводяные струйные аппараты ПСА — теплообменники струйного типа, использующие в своей основе струйный инжектор. Смесительные теплообменники конструктивно устроены проще, нежели поверхностные, более полно используют тепло. Однако, пригодны они лишь в случаях, когда по технологическим условиям производства допустимо смешение рабочих сред.

Большое применение контактные теплообменники находят в установках утилизации тепла дымовых газов, отработанного пара и т.п.

Конструкции теплообменников

Конструкционно теплообменники подразделяют на:

объемные одна из сред имеет значительный объем в теплообменнике, одна среда сосредоточена в баке большого объема, вторая протекает через змеевик;
скоростные (кожухотрубные) среды движутся с достаточно большой скоростью для увеличения коэффициента теплоотдачи, много мелких трубочек находятся в одной большой (кожух), среды движутся одна в межтрубном пространстве, другая внутри трубочек, обычно в трубочках находится более «грязная» среда, так как их легче чистить;

пластинчатый теплообменник состоит из набора пластин, среды движутся между пластинами, прост в изготовлении (штампованные пластины складываются с прокладками между ними), легко Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

6

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

модифицируется (добавляются или убираются пластины), хорошая эффективность (большая площадь контакта через пластины).

пластинчато-ребристый теплообменник в отличие от пластинчатого теплообменника состоит из системы разделительных пластин, между которыми находятся ребристые поверхности - насадки, присоединенные к пластинам методом пайки в вакууме. С боков каналы ограничиваются брусками, поддерживающими пластины и образующие закрытые каналы. Таким образом, в основу пластинчато-ребристого теплообменника положена жесткая и прочная цельнопаянная теплообменная матрица, построенная по сотовому принципу и работоспособная (даже в исполнении из алюминиевых сплавов) до давления 100 атм. и выше. В пластинчато-ребристых теплообменниках существует большое количество насадок, что позволяет подбирать геометрию каналов со стороны каждого из потоков, реализовывая оптимальную конструкцию. Основные достоинства данного типа теплообменников - компактность (до 4000 м2/м3) и легкость. Последнее обеспечивается за счет применения при изготовлении теплообменной матрицы пакета из тонколистовых деталей из легких алюминиевых сплавов.

Оребренные пластинчатые теплообменники, ОПТ состоит из тонкостенных оребренных панелей, изготовленных методом высокочастотной сварки, соединенные поочередно с поворотом на 90 градусов. За счет конструкции, а также многообразия используемых материалов достигаются высокие температуры греющих сред, небольшие сопротивления, высокие показатели отношения телепередающей площади к массе теплообменника, длительный срок службы, низкая стоимость и др. Часто используются для утилизации тепла отходящих газов.
спиральный теплообменник представляет собой два спиральных канала, навитых из рулонного материала вокруг центральной разделительной перегородки — керна, среды движутся по каналам. Одно из назначений спиральных теплообменников — нагревание и охлаждение высоковязких жидкостей.

При выборе между пластинчатыми и кожухотрубными теплообменниками предпочтительными являются пластинчатые, коэффициент теплопередачи которых более чем в три раза больше, чем у традиционных кожухотрубных.Кроме того, коэффициент полезного действия пластинчатых теплообменников составляет 90-95 %, а занимаемая площадь в 3-4 раза меньше, чем для кожухотрубных.

В то же время пластинчатые теплообменники, оснащённые средствами автоматики, регулирования и надёжной арматурой, позволяют снизить количество теплоносителя, идущего на нагрев воды. А значит, и диаметры трубопроводов и запорно-регулирующей арматуры, снизить нагрузки на Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

7

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

сетевые насосы и, соответственно, уменьшить потребление электроэнергии и др.

Но на данный момент стали появляться современные кожухотрубные теплообменники, оснащенные трубками, профилированными таким образом, чтобы рост гидравлического сопротивления ненамного превышал рост теплоотдачи вследствие применения турбулизаторов потока. Это достигается накаткой на внешней поверхности трубы кольцевых или винтообразных канавок, вследствие образования которых на внутренней поверхности трубы образуются плавно очерченные выступы небольшой высоты, интенсифицирующие теплоотдачу в трубах. Данная технология, в дополнение к таким важным показателям как высокая надежность (также при гидравлическом ударе) и меньшая стоимость, дает отечественному кожухотрубному оборудованию дополнительные преимущества по сравнению с иностранными пластинчатыми аналогами. Но это преимущество исчезает при первой промывке такого теплообменника, т.к. очистка внутренних поверхностей трубок с винтообразными канавками практически невозможна и ведет к быстрому выходу такого теплообменника из строя.

Серьёзной проблемой является коррозия теплообменников. Для защиты от коррозии применяется газотермическое напыление трубных досок, труб пароперегревателей. Это относится только к кожухотрубным теплообменникам, изготовленных из углеродистой стали. Пластинчатые теплообменники в подавляющем большинстве изготавливаются из нержавеющей стали.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

8

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

d₂ d₁ D

l

L

1 2 3 4 5

Рисунок 1 – Схема рекуперативного теплообменного аппарата

- направление нагреваемой воды;

- направление греющей воды;

l – длина греющей части; L – общая длина; 1 – внутренняя (теплообменная) труба; 2 – наружная (кожуховая) труба; 3 — опора; 4 — решетка кожуховых труб; 5 — камера

d₁ – внутренний диаметр теплообменной трубы; d₂ – наружный диаметр теплообменной трубы; D – диаметр кожуховой трубы.

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

9

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

Таблица 1 – Исходные данные: 4 вариант

Комментарий	Обозначение	Величина
Начальная температура нагревающей жидкости	t₁’	75⁰C
Начальная температура нагреваемой жидкости	t₂’	22⁰C
Конечная температура нагреваемой жидкости	t₂”	40⁰C
Скорость нагревающей жидкости	?₁	0,6 м/с
Массовый расход нагреваемой жидкости	m₂	0,8 кг/с
Меньший диаметр внутренней трубы	d₁	34 мм
Больший диаметр внутренней трубы	d₂	37 мм
Меньший диаметр наружной трубы	D	52 мм
Коэффициент теплопроводности нагревающей жидкости	?₁	0,670 Вт/мК
Коэффициент теплопроводности нагреваемой жидкости	?₂	0,62 Вт/мК
Коэффициент теплопроводности стенки внутренней трубы	?_ст	70 Вт/мК
Плотность нагревающей жидкости	��₁	968 кг/м³
Плотность нагреваемой жидкости	��₂	992 кг/м³
Коэффициент кинематической вязкости нагревающей жидкости	?₁	0,368∙10^-6 м²/с
Коэффициент кинематической вязкости нагреваемой жидкости	?₂	0,775∙10^-6 м²/с
Направление потоков	–

Расчёт теплообменника

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

10

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

1)Определить характер течения горячего и холодного теплоносителей в каналах теплообменника

Внутренняя труба

Re₁=(?₁d₁)/?₁ – число Рейнольдса для потока во внутренней трубе

Re₁=(0,6*0,034)/0,368*10^-6=52849,7;

где ?₁- скорость движения греющей воды, м/с

d₁- диаметр внутренней трубы, м

?₁- вязкость греющей воды, м²/с

52849,7?5,3*10⁴>10⁴ – турбулентный характер течения (4. стр372)

Наружная труба

V₂=m₂/?₂ – объёмный расход нагреваемой воды в наружной трубе

V₂=0,8/992=0,000806451 м³/с,

где m₂ – массовый расход нагреваемой воды в наружной трубе, кг/с

?₂ – плотность нагреваемой воды кг/м³

S_D=(?D²)/4 – площадь сечения наружной трубы

S_D =(3,142*0,052²)/4=0,0021 м²

S_d₂=(?d₂²)/4 – площадь сечения внутренней трубы

S_d₂=(3,142*0,037²)/4=0,00107м²

S_k= S_D- S_d₂ – площадь, образующегося между трубами кольцевого сечения

S_k =0,00105 м²

?₂= V₂/S_k - скорость движения нагреваемой воды, м/с (4. стр375)

?₂=0,000806451/0,00105=0,76805 м/с

где V₂ - объёмный расход нагреваемой воды в наружной трубе, м³/с

S_k - площадь, образующегося между трубами кольцевого сечения, м²

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

11

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

Re₂=( ?₂d₂)/?₂ - число Рейнольдса для потока в наружной трубе

Re₂=(0,76805*0,015)/0,775*10^-6=14865,5

где ?₂- скорость движения нагреваемой воды, м/с

d₂- диаметр наружной трубы, м

?₂- вязкость нагреваемой воды, м²/с

14865,5?1,5*10⁴>10⁴ – турбулентный характер течения (4. стр372)

2)Выбрать вид критериального уравнения для потоков

Nu₁=0,0155Re₁^0,83Pr₁^0,5 – Число Нуссельта, для воды и легких жидкостей, при 1<Pr< 20

Nu₁=0,0155*(52849,7)^0,83*(2,23)^0,5=192,579

где Re₁- число Рейнольдса для потока во внутренней трубе

Pr₁ – число Прандтля для воды во внутренней трубе ( 3. 211стр.)

Pr₁= ?₁/(?₁/(Cp*?₁))

Pr₁=0,368*10^-6/(0,670/(4,19*10³*968))=2,23;

где ?₁ - вязкость греющей воды, м²/с

?₁ – коэффициент теплопроводности греющей воды, Вт/(м*К)

Cp₁ – теплоёмкость греющей воды, кДж/(кг*К)

?₁ - плотность греющей воды кг/м³(1. 69стр)

Nu₂=0,017 Re₂^0,8Pr₂^0,4(D/d₂)^0,18 – число Нуссельта, по формуле Исаченко-Галина

Nu₂=0,017*(14865,5)^0,8*(5,1956)^0,4*(52/37)^0,18=76,041

где Re₂- число Рейнольдса для потока в кольцевом сечении трубы

Pr₂ – число Прандтля для воды в кольцевом сечении трубы

(D/d₂) – характерный геометрический показатель (2. 189)

Pr₂= ?₂/(?₂/(Cp*?₂))=0,775*10^-6/(0,62/(4,19*10³*992))=5,1956

где ?₂ - вязкость нагреваемой воды, м²/с

?₂ – коэффициент теплопроводности нагреваемой воды, Вт/(м*К)

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

12

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

Cp₂ – теплоёмкость нагреваемой воды, кДж/(кг*К)

?₂ - плотность нагреваемой воды, кг/м³ (1. 69стр)

3)Оценить значение коэффициентов теплоотдачи для теплоносителей как от горячего к стенке, так и от стенки к холодному

?= (Nu* ?)/d

?₁= (Nu₁* ?₁)/d₁ =(192,579*0,670)/0,034=3794,939 Вт/(м²*К)

?₂= (Nu₂* ?₂)/d₂=(76,041*70)/0,037=143861,3514 Вт/(м²*К);

где Nu - число Нуссельта;

? – коэффициент теплопроводности нагреваемой воды, Вт/(м*К)

d – диаметр трубы, м(5. 308)

4)Найти коэффициент теплопередачи для аппарата
k=

=

=117,068Вт/(м²*К);

где ?₁ – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке;

? – число Пи;

d₁- диаметр внутренней трубы, м

?_ст - коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м*К)

?₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю

d₂- диаметр наружной трубы, м (4. 433)

5)Составить уравнение теплового баланса

Q₁=Q₂+Q_пот – уравнение теплового баланса;

где Q₁– подведённая теплота;

Q₂ – теплота, ушедшая на нагрев;

Q_пот – теплота, потерянная на нагрев стенок труб и в окружающее пространство. В расчёте полагаем равным 0, Q₁=Q₂ =Q

Q=m*Cр*(t¹- t¹¹) – общая теплота в теплообменнике;

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

13

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

где m – расход теплоносителя, кг/с

Cp – теплоёмкость теплоносителя, кДж/(кг*К)

t¹ – начальная температура теплоносителя, °С

t¹¹– конечная температура теплоносителя, °С

Q=m₁*Cр₁*(t₁¹- t₁¹¹)= m₂*Cр₂*(t₂¹¹- t₂¹)=

=0,52732*4,19*10³*(348-320,69=60340,6Вт

Cр₁=Cр₂ m₁*(t₁¹- t₁¹¹)= m₂*(t₂¹¹- t₂¹)(4. 433стр)

6) Определить конечную температуру теплоносителей

t₁¹¹=(- m₂* t₂¹¹+ m₂* t₂¹+ m₁* t₁¹)/m₁=(m₂*t₂¹+ m₁* t₁¹- m₂* t₂¹¹)/m₁=

=

=320,69°K=47,69°C

7)Определить среднюю логарифмическую разность температур

?t_ср=((t₁¹- t₂¹¹)-(t₁¹¹- t₂¹))/(2,3log((t₁¹- t₂¹¹)/(t₁¹¹- t₂¹)))=

=

=30,139° (4. 429стр)

8)Найти плотность теплового потока в теплообменнике

q=k* ?t_ср=117,068*30,139=3528,312 Вт/м² (4. 434стр)

9) Найти поверхность нагрева теплообменного аппарата

F=Q/q

F=60340,6/3528,312=17,102 м²

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

14

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе данной курсовой работы был произведен конструкторский расчет рекуперативного теплообменника, в ходе которого определили характер течения горячего и холодного теплоносителей в каналах теплообменника; выбрали вид критериального уравнения для потоков; оценили значения коэффициентов теплоотдачи для теплоносителей как от горячего к стенке, так и от стенки к холодному; нашли коэффициент теплопередачи для аппарата; составили уравнение теплового баланса; определили конечную температуру теплоносителей, среднюю логарифмическую разность температур; нашли плотность теплового потока в теплообменнике, поверхность нагрева теплообменного аппрата.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Изм.

Лист

№ докум.

Подпись

Дата

Лист

15

ЮУрГУ – 140501.2011.708 ПЗ

1) Ерохин В. Г. ; Маханько М. Г.; Самойленко П. И. – Основы термодинамики и теплотехники.

2) Исаченко В. П. ; Осипова В. А. ; Сукомел А. С. – Теплопередача.

3) Кэйс В.М. Конвективный тепло- и массообмен.

4)Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача.

5) Юдаев Б. Н. Теплопередача.

<