Цель работы. Ознакомление с классификацией теплообменных аппаратов (теплообменников), изучение основ их теплового и гидравлического расчета, анализ влияния различных параметров теплообменного аппарата на интенсивность теплообменных процессов.

Задание для расчета. Определить требуемую площадь поверхности теплообмена F кожухотрубного теплообменника и суммарную мощность на прокачивание теплоносителей по его каналам N для охлаждения горячего теплоносителя (бензола) с массовым расходом m₁=12 кг/с от температуры =160 ^оС на входе в теплообменный аппарат до температуры =100 ^оС на выходе из него. Температура холодного теплоносителя (воды) на входе и на выходе из теплообменного аппарата равны соответственно =20 ^оС и =80 ^оС. Горячий теплоноситель движется внутри n=37 труб с внутренним диаметром d₁ равным 14 мм. Толщина стенки выполненных из нержавеющей стали марки 1Х18Н10Т труб – 1 мм. Вода обтекает трубы теплообменного аппарата продольно, двигаясь в межтрубном канале, образованном наружными поверхностями труб и кожухом с внутренним диаметром D=0,15м. Длина секции теплообменника L=2 м.

Порядок выполнения курсовой работы.

1. Выполнить тепловой конструкторский расчет теплообменника, включающий в себя определение:

а) среднего температурного напора;

б) средних температур теплоносителей;

в) теплофизических свойств теплоносителей;

г) методом последовательных приближений

- температур стенки со стороны каждого теплоносителя;

- коэффициентов теплоотдачи;

- коэффициента теплопередачи;

- плотности теплового потока;

д) площади поверхности теплообмена;

2. Выполнить гидравлический расчет теплообменника, включающий в себя определение:

а) суммарной длинны каналов теплообменника;

б) коэффициентов гидравлического сопротивления движению теплоносителей по каналам теплообменника;

в) перепадов давления в каналах;

г) мощности на прокачку теплоносителей по каналам;

д) требуемое число секций;

е) коэффициент эффективности поверхности теплообмена.

3. Составить расчетно-пояснительную записку, содержащую:

а) исходные данные для расчета;

б) тепловой расчет;

в) гидравлический расчет;

г) схему секции теплообменного аппарата;

д) схему соединения необходимого количества секций;

е) график изменения температур теплоносителей;

ж)сравнительный анализ характеристик заданного и оптимизированного теплообменников.

Таблица№1

Расход теплоносителя в трубах М1, кг/с	12	Число труб n, шт.				37
Внутренний диаметр кожуха D, м	0,15	Толщина стенки трубы, м				0,001
Внутренний диаметр труб d1, м	0,014	Теплопроводность материала труб, Вт/(мК)				18
Схема движения теплоносителей:			прямоток	бензол	вода
Температура на входе, ^0С				160	20
Температура на выходе, ^0С				100	80
Средняя удельная теплоемкость, Дж/(кгК)				2094,4	4175
Средняя температура теплоносителей (tf), ^0С				120,834	59,166
Удельная теплоемкость, Дж/(кгК)				2055,336	4175,9
Теплопроводность, Вт/(мК)				0,1207	0,6579
Коэффициент динамической вязкости, Пас				0,000218	0,000477
Плотность, кг/м^3				774,646	983,6
Объемный коэффициент термического расширения, 1/К				0,00159	0,000506
Свойства теплоносителя при температуре стенки, ^0С				92,38	86,25
Удельная теплоемкость, Дж/(кгК)				1936,3	4202,8
Коэффициент динамической вязкости, Пас				0,128	0,677
Теплопроводность, Вт/(мК)				0,000285	0,0003144

Таблица№2

ПАРАМЕТРЫ	Заданный вариант		Оптимизиров. вариант
Тепловой поток, Вт Площадь поверхности теплообмена, кв.м Диаметр кожуха / Эквивал. диаметр, м Внутренний диаметр труб, м Длина труб, м Мощность на прокачку, Вт Коэффициент эффективности Коэффициент теплопередачи, Вт/(кв.мК) Средний температурный напор, ^0С Число труб, шт.	1508659 13,75 0,1500 / 0,0176 0,0140 7,89 455,4 3313 1779 61,7 37		1508659 8,81 0,1320 / 0,0131 0,0131 5,39 455,0 3316 2141 80 37
Теплоносители: Температура стенки, ^0С Скорость движения, м/с Число Рейнольдса Коэффициент теплоотдачи, Вт/(кв.мК) Мощность на прокачку, Вт Коэффициент гидравлич. сопротивления Число Прандтля при t стенки	Бензол 90,7 2,72 135521 3894 444,3 0,0177 4,4	Вода 84,6 0,60 21674 4051 11,1 0,0229 2,2	Бензол 88,7 3,17 157927 4468 434,0 0,0175 4,4	Вода 79,2 0,86 19816 5476 21,0 0,0229 2,4

Приложение

Свойства теплоносителей.

	t, ^0С	, кг/м^3	ср, Дж/(кгК)	, Вт/(мК)	, Пас	, К^-1
	20	998,2	4183	0,5990	0,001004	0,000182
	40	992,2	4174	0,6350	0,0006533	0,000387
ВОДА	60	983,2	4176	0,6590	0,0004694	0,000511
	80	971,8	4195	0,6740	0,0003551	0,000632
	100	958,4	4220	0,6830	0,0002825	0,000752
	80	823	1880	0,1310	0,000321	0,00115
	102	798	1980	0,1260	0,000258	0,00137
БЕНЗОЛ	127	767	2080	0,1190	0,000205	0,00167
	152	735	2200	0,1120	0,000166	0,00202
	177	699	2320	0,1060	0,000138	0,00249

II График зависимости изменения температур теплоносителей при движении вдоль поверхности теплообмена t_f = f(F)

Часть 1. Тепловой расчет.

I. Определение среднего температурного напора

а) t_max = - = 160 – 20 =140 (^ОС)

б) t_min = - = 100 – 80 = 20 (^ОС)

в) t_ср = = = 61,668 (^ОС)

II. Определение средних температур теплоносителей

а) t_вх = - =160-20=140 (^ОС)

б) t₁ =- = 100-160 =-60 (^ОС)

в) t₂ = - = 80-20 =60 (^ОС)

г) t_f1 = + = 160 + = 160-39,166 = 120,834 (^ОС)

д) t_f2 = t_f1 - t_ср=120,834-61,668=59,166 (^ОС)

III. Определение теплофизических свойств теплоносителей

1) Бензол. t_f1 =120,834 (^ОС)

а) Коэффициент интерполяции к₁; к₁=

б) Плотность ₁;

в) Удельная теплоемкость С_р1;

г) Теплопроводность ₁;

д) Коэффициент динамической вязкости ₁;

е) Объемный коэффициент термического расширения ₁;

₁; ₂;С_р1; С_р2; ₁; ₂; ₁; ₂; ₁; ₂ соответствуют температурам t₁ и t₂ для бензола и даны в приложении.

2) Вода t_f2 =59,166 (^ОС)

а) Коэффициент интерполяции к₂; к₂=

б) Плотность ₂;

в) Удельная теплоемкость С_р2;

г) Теплопроводность ₂;

д) Коэффициент динамической вязкости ₂;

е) Объемный коэффициент термического расширения ₂;

₁; ₂;С_р1; С_р2; ₁; ₂; ₁; ₂; ₁; ₂ соответствуют температурам t₁ и t₂ для воды и даны в приложении.

3) Тепловой поток к бензолу:

Q=m₁*C_p1*(-) = 12*2055.336*(160-100)=1479841.92 [Вт]

4) Расход воды в межтрубном пространстве:

m₂=

IV. Метод последовательных приближений

1) Определение числа Рейнольдса

а) для бензола. Re₁=

> 10⁴ режим течения бензола турбулентный;

б) Для воды. Re₂=

площадь поперечного сечения межтрубного пространства А А=

эквивалентный диаметр d_экв; d_экв=

Re₂= >10⁴  режим течения воды турбулентный.

2) определение числа Нуссельта

Nu= (*), где _l принимаем равным 1.

Pr_f - число Прандтля при средней температуре теплоносителя;

Pr_w - число Прандтля при температуре стенки

3) Определение числа Прандтля Pr_f

а) для бензола. Pr_f1 =

б) Для воды. Pr_f2 =

4) Определение числа Прандтля Pr_w

В первом приближении задаемся температурами стенки

t_w1= t_w2=0.5*(t_f1+t_f2) = 0.5*(120.834+59.166) = 90 (^ОС)

а) для бензола. Pr_w1=

Pr_w1=

б) Для воды. Pr_w2=

Pr_w2=

5) Определение коэффициента теплоотдачи 

Выразим из уравнения (*) :

а) для бензола.

б) Для воды.

6) Определение коэффициента теплоотдачи h

7) Определение плотности теплового потока q

q = h*t_ср = 1794,62 * 61,668 = 110706,6

8) Уточнение температур t_w1и t_w2

а)

б)

9) Определение числа Прандтля Pr_w

Проводим расчет при уточненных температурах

Задаем t_w1=92,38 t_w2=86,25

а) Для бензола. Pr_w1=

Pr_w1=

б) Для воды. Pr_w2=

Pr_w2=

10) Определение коэффициента теплоотдачи 

а) для бензола.

б) Для воды.

11) Определение коэффициента теплоотдачи h

12) Определение плотности теплового потока q

q = h*t_ср = 1800,34 * 61,668 = 111023,13

13) Уточнение температур t_w1и t_w2

а)

б)

,

Совпадение достаточно точное, поэтому принимаем t_w1=92,38 и t_w2=86,25, а также значения ₁, ₂, h, q при этих температурах.

V Определение площади поверхности теплообмена