Расчет теплообменных аппаратов

Государственный комитет российской федерации по рыболовству

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Мурманский государственный технический университет"













Расчетно-графическое задание

по дисциплине "Теоретические основы теплотехники"

"Расчет теплообменных аппаратов"







Выполнила:

студентка группы ВЭП-371.01.

Донцова Ю.Г.

Проверил:

Шорников В.П.











Мурманск

2010




Содержание



Вариант задания

Задание

1. Расчет пароводяного подогревателя

2. Расчет секционного водоводяного подогревателя

3. Расчетные данные пароводяного и секционного водоводяного теплообменников

4. Учебно-исследовательский раздел

5. Подбор критериальных уравнений для имеющих место случаев теплообмена т.о. аппаратах. Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи

Список литературы




Вариант задания для курсового проекта



Вариант ( номер по журналу)

Производительность Q *10-6

Вт

(ккал/час)

Температура нагреваемой воды при входе в подогреватель t2/ 0С

Температура сетевой воды при входе в водоводяной подогреватель t1/ °C

Давление сухого насыщенного водяного пара р ат

Толщина загрязнения з мм

Коэфф теплопроводности загрязнения з



2

0.465 (0.4)

70

140

4.0

0.4

1.2






Задание



Произвести тепловой и конструктивный расчет отопительного пароводяного подогревателя горизонтального типа и секционного водоводяного подогревателя производительностью . Температура нагреваемой воды при входе в подогреватель  и при выходе . Температура сетевой воды при входе в водоводяной подогреватель  и при выходе .

Прим. Влияние загрязнения поверхности нагрева подогревателя и снижение коэффициента теплопередачи при низких температурах воды учесть понижающим коэффициентом =0,65.

Для расчета пароводяного подогревателя приняты следующие дополнительные данные: давление сухого насыщенного водяного пара  (); температура конденсата, выходящего из подогревателя, , число ходов воды ; поверхность нагрева выполнена из латунных труб  ) диаметрами , . Загрязнение поверхности учесть дополнительным тепловым сопротивлением . (в примере расчета з/з= 0,00015 м2 • ч • град/ккал 0.000129 м2 •град/Вт).

В обоих вариантах скорость воды  (в трубках) принять по возможности близкой к 0,9 м/с.

Для упрощения расчета принять .

На основе расчетов выбрать аппараты, выпускаемые серийно, и сделать сопоставление полученных результатов.






1. Расчет пароводяного подогревателя



Расход воды определяем по формуле:







где теплоемкость воды "с" по справочнику или упрощенно



,

().



или V= 16 м3/час.

Число трубок в одном ходе







где  - внутренний диаметр теплообменных труб.

и всего в корпусе












Рис. 1.Размещение трубок в трубной решетке трубчатого подогревателя.

а – по вершинам равносторонних треугольников;

б – по концентрическим окружностям.



Принимая шаг трубок , угол между осями трубной системы  и коэффициент использования трубной решетки , определяем диаметр корпуса:







Определяем также диаметр корпуса по табл. 1–35 и рис. 1 при ромбическом размещении трубок.

Для числа трубок находим в табл. 1-35 значение  и, следовательно, .

Диаметр корпуса составит (рис 1):








где dН – наружный диаметр трубки,

k – "зазор" между периферийной трубкой и диаметром корпуса (рис. 1) .

Принимаем для корпуса подогревателя трубу диаметром мм.

Приведенное число трубок в вертикальном ряду:







Определяем коэффициент теплоотдачи  от пара к стенке. Температурный напор:







Средние температуры воды и стенки (для стенки значение температуры ориентировочное, впоследствии она будет пересчитана и уточнена при необходимости):









Режим течения пленки конденсата определяем по приведенной длине трубки (критерий Григулля) для горизонтального подогревателя, равной:







где m - приведенное число трубок в вертикальном ряду, шт.;  - наружный диаметр трубок, м;








  - температурный множитель, значение которого выбирается по таблице значения температурных множителей в формулах для определения коэффициентов теплоотдачи.

При  имеем , тогда



,7



что меньше величины Lкр=3900 (для горизонтальных труб), следовательно, режим течения пленки ламинарный.

Для этого режима коэффициент теплоотдачи от пара к стенке на горизонтальных трубках может быть определен по преобразованной формуле Д. А. Лабунцова:



.



При  по таблице находим множитель  тогда







Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки к воде. Режим течения воды в трубках турбулентный, так как Re для ламинарного потока должен быть ≤ 2300.








где коэффициент кинематической вязкости воды (по справочнику, табл. стр.44)

, при средней температуре воды t=83,4° С.

Коэффициент теплоотдачи три турбулентном движении воды внутри трубок







где множитель  при t=83,4° С по таблице; в данном случае 

Расчетный коэффициент теплопередачи (с учетом дополнительного теплового сопротивления з/з) определяем по формуле для плоской стенки , так как ее толщина меньше 2,5 мм:







Уточненное значение температуры стенки трубок







Поскольку уточненное значение tст мало отличается от принятого для предварительного расчета, то пересчета величины п не производим (в0 противном случае если отличие в данных температурах более 3% необходимо производить пересчет методом последовательных приближений до достижения данной точности).

 - уравнение теплопередачи через плоскую стенку, отсюда расчетная поверхность нагрева:







Q - производительность, Вт; К - коэффицент теплопередачи, ;

Δt – температурный напор, ˚С;

Ориентируясь на полученную величину поверхности нагрева и на заданный в условии диаметр латунных трубок d=14/16 мм, выбираем пароводяной подогреватель горизонтального типа конструкции Я. С. Лаздана (рис. 1-24, табл. 1-23а) с поверхностью нагрева F =2,58 м2, площадью проходного сечения по воде (при z=2) fT =0,0132 м2, количеством и длиной трубок , числом рядов трубок по вертикали m = 8. Основные размеры подогревателя приведены в табл. 1-23 б.

Уточним скорость течения воды  в трубках подогревателя:







Поскольку активная длина трубок l=1600 мм, длина хода воды







Определяем гидравлические потери в подогревателе. Коэффициент гидравлического трения при различных режимах течения жидкости и различной шероховатости стенок трубок можно подсчитать по формуле А. Д. Альтшуля:








где k1 - приведенная линейная шероховатость, зависящая от высоты выступов, их формы и частоты.

Принимая k1=0 (для чистых латунных трубок), формулу можно представить в более удобном для расчетов виде (для гидравлически гладких труб):







Уточняем критерий Рейнольдса Re:







Значения T=f(Re) для гидравлически гладких труб найдем, используя табл. 1–2, по известной величине Re находим .

Потерю давления в подогревателе определяем с учетом дополнительных потерь от шероховатости в результате загрязнений латунных труб Хст=1,3, а по табл. 1–4 коэффициенты местных сопротивлений имеют следующие значения:





 * n (кол-во гидро сопротивлений см. чертеж)

Вход в камеру



Вход в трубки



Выход из трубок



Поворот на 180° 



Выход из камеры



Итого 

9,5




Потеря давления в подогревателе (при условии )







Гидравлическое сопротивление пароводяных подогревателей по межтрубному пространству, как правило, не определяется, так как его величина вследствие небольших скоростей пара (до 10 м/сек) очень мала.



2. Расчет секционного водоводяного подогревателя



Температура сетевой воды при входе в водоводяной подогреватель , , коэффициент теплопроводности стали , ).

Расходы сетевой воды в трубках и воды, нагреваемой в межтрубном пространстве:







где теплоемкость воды



, (), ,

	

,






Площадь проходного сечения трубок (при заданной в условии расчета скорости течения воды в трубках ):







Выбираем подогреватель по МВН-2050-29(рис. 1-25. Согласно таблице 1-24а он имеет: наружный диаметр корпуса 168 мм и внутренний - 158 мм, число стальных трубок (размером 16х14 мм (т.е. dH=16 мм dB=14)) n =37 шт., площадь проходного сечения трубок fт =0,00507м2, площадь проходного сечения межтрубного пространства fмт =0,0122 м2.

Скорость воды в трубках и в межтрубном пространстве:



=6,7/(3600*0.00507)=0.37 м/с.

=16/(3600*0.0122)=0.37 м/с.



Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства



= 



Средняя температура воды в трубках и между трубками:

При этой температуре температурный множитель, необходимый для дальнейших расчетов (по таблице 1-1 A5T 2960);








(А5МТ  2650).



Режим течения воды в трубках (при t1 = 110 0C, T = 0,357*10-6 м2/с) и межтрубном пространстве (при t = 82,50C, МТ = 0,271*10-6 м2/с) турбулентный, так как



= 

= 



Коэффициенты теплоотдачи (для турбулентного режима течения воды)









Расчетный коэффициент теплопередачи (коэффициент теплопроводности стали =39 ккал/м ч град) определяем по формуле для плоской стенки, так как ее толщина меньше 2,5 мм:







Температурный напор:






		0C



Поверхность нагрева подогревателя:



= ,



Длина хода по трубкам при среднем диаметре трубок d= 0,5(dH+dB); d= 0,5∙(0,016+0,014) =0,015 м



=



Число секций (при длине одной секции lТ= 2 м)



Z=LT / lT =11,6 / 2 = 5,8секций; принимаем 6 секций.



Уточненная поверхность нагрева подогревателя согласно технической характеристике выбранного нами аппарата составит: F/ = 3,38 (табл. 1-24б)



F=F/ ∙Z=3,38*6 20,28 м2.



Действительная длина хода воды в трубках и межтрубном пространстве LT=2*6=12м; LMT=3,5*6=21м (при подсчете LMT расстояние между патрубками входа и выхода сетевой воды, равное 3,5 м, выбрано из конструктивных соображений).

Определяем гидравлические потери в подогревателе. Коэффициенты гидравлического трения для трубок и межтрубного пространства определяем по формуле Альтшуля.

k – коэффициент абсолютной шероховатости. Для бесшовных стальных труб изготовления высшего качества k =0,06÷0,3 мм. Выбираем k=0,3*10-3 мм:



;



 - эквивалентный диаметр для межтрубного пространства.









Коэффициенты местных сопротивлений для потока воды в трубках, принимаем по таб.1-4.





 * n(кол-во данных сопротивлений см. чертеж)



Вход в трубки

1,5 * 6=9.0

Выход из трубок

1,5 * 6=9,0

Поворот в колене

0,5 * 5=2.5

Итого:

 =20,5



Суммарный коэффициент местных сопротивлений для потока воды в межтрубном пространстве определяется из выражения.

Отношение сечений входного и выходного патрубка






fмт/fпатр = 1.

=20,5*1*6=123.



Потери давления в подогревателе с учетом дополнительных потерь Хст от шероховатости (для загрязненных стальных труб по табл. 1-3 принимаем Хст =1,51):



=;3973 Па.



Потери в межтрубном пространстве подсчитываются по аналогичной формуле, но лишь в том случае, когда сумма значений коэффициентов местных сопротивлений мт определена по указанной выше формуле, в противном случае расчет потерь pмт значительно усложняется.

Итак,



 =



3. Расчетные данные пароводяного и секционного водоводяного теплообменников



Тип теплообменника

Коэффициент теплопередачи K, ,



Температурный напор t, °С

Поверхность нагрева

F, м2

Диаметр корпуса

D, м

Длина корпуса

L,м

Гидравлическое сопротивление p,

м вод. ст.

Па

Число ходов Z

Пароводяной

3304

59,5

2,03

0,254

3,2

0,122 (1197)

2

Секционный водоводяной

849

23,3

20,2

0,168

2,04

0,405 (3973)

6



Вывод

Сравнение показывает, что для данных условий пароводяной теплообменник имеет те преимущества, что он более компактен и гидравлическое сопротивление его меньше.



4. Учебно-исследовательский раздел



1. Какой вид теплопередачи протекает в т.о. аппаратах.

Конвекция - явление переноса теплоты в слоях жидкостях или газах при их перемешивании. Различают свободную и вынужденную конвекцию.

В нашем случае, конвекция является вынужденной.

Вынужденная конвекция - перемешивание жидкости происходит с помощью каких-либо внешних устройств.

2.Есть или нет фазовый переход.

Фазовый переход - переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий (температура, давление)

Так как предпочтительный т.о. аппарат у нас пароводяной, то фазовый переход есть.

3.Режим течения жидкости.

Различают ламинарный и турбулентный режимы течения жидкости. В нашем случае, это турбулентный режим т.к Re>2300.

4. Стенка внутри и снаружи: прямая, гладкая.

Уравнения для расчета:






 - ур-е теплоотдачи.

 - ур-е теплопроводности через плоскую стенку

 - ур-е теплопередачи через плоскую стенку

 - коэффициент теплопередачи.

;





Согласно исходным данным:

F= 2,58м2 - поверхностью нагрева;

∆t = 59,50С - температурный напор;







 ()

 ()

 ()

 ()

 ()

 ()

 ()

 ()

 ()

 ()

 ()



(мм)

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,1

0,12

0,14

0,16

0,18

0,2

Q(М)

5,84

4,39

3,9

2,4

1,7

0,75

0,12

0,1

0,09

0,08

0,072



Строим график зависимости :



5. Подбор критериальных уравнений для имеющих место случаев теплообмена т.о. аппаратах. Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи



Критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи), характеризует теплообмен между поверхностью стенки и жидкостью (газом).



 ;



d - диаметр;

α- коэф. конвективной теплоотдачи, Вт/(м2*K).

Критерий Прандтля (критерий физических свойств жидкости) –характеризует физические свойства жидкости и способность распространения теплоты в жидкости. Для газов Pr=0,6 – 1,0 и зависит только от атомности, жидкости Pr = 1-2500, для жидких металлов Pr=0,005-0,05.






;



v – коэффициент кинематической вязкости среды.

При вынужденной конвекции и турбулентном режиме течения жидкости.

Пароводяной т.о. аппарат:

внутри трубок:



;

;



По справочнику "справочник по теплопередачи" (стр.268 табл.XXXIX. [2]) выбираем число при соответствующих температурах.





Prст =1,55 при tст=113˚C ;

;



снаружи трубок:



,

 

 при tст = 113

;



Найдем α.







 



Водоводяной т.о. аппарат:

внутри трубок



;



По справочнику "справочник по теплопередачи" выбираем число при соответствующих температурах.







,



2. снаружи трубок



,





;



Найдем α.



;









Результаты расчетов:

Коэффициент теплоотдачи α, 

Курсовая работа, (отраслевой расчет)

По критериальным уравнениям

Пароводяной т.о. аппарат







5495

7794



6250

4640

К

3304

1560

Водоводяной т.о. аппарат







2597

6488



2900

2527

К

849

1692






Список литературы



Лебедев П.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. (Курсовое проектирование). / Учеб. пособие для энергетических вузов и факультетов. – М.: Энергия, 1970 – 408 с.;

Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. – М.: Госэнергоиздат, 1958 – 418 с.