Курсовая работа. Расчет теплообменного аппарата. Вариант 26
.docМосковский Государственный Университет Инженерной Экологии
Кафедра “Теплотехника и теплопередача”
Курсовой проект по теплопередаче
Тема проекта: Расчет теплообменного аппарата
Вариант №26
Преподаватель: Богомолова Н. П.
Студент: Сергеев А. Д.
Группа: М - 38
Москва 2006
РАСЧЕТ И ОПТИМИЗАЦИЯ НА ЭВМ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
Цель работы. Ознакомление с классификацией теплообменных аппаратов, изучение основ их теплового и гидравлического расчетов, анализ влияния параметров теплообменного аппарата на интенсивность теплообменных процессов.
Теплообменники — это устройства, в которых теплота переходит от одной среды к другой.
Теплообмен между теплоносителями является одним из наиболее важных и часто используемых в технике процессов. Например, получение пара заданных параметров в современном парогенераторе основано на процессе передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В конденсаторах и градирнях тепловых электростанций, воздухоподогревателях доменных печей и многочисленных теплообменных устройствах химической промышленности основным рабочим процессом является процесс теплообмена между теплоносителями. По принципу действия теплообменные аппараты могут быть разделены па рекуперативные, регенеративные и смесительные. Выделяются еще теплообменные устройства, в которых нагрев или охлаждение теплоносителя осуществляется за счет внутренних источников теплоты.
Рекуперативные теплообменные аппараты представляют собой устройства, в которых две жидкости с различными температурами текут в пространстве, разделенном твердой стенкой. Теплообмен происходит за счет конвекции и теплопроводности стенки, а если хоть одна из жидкостей является излучающим газом, то и за счет теплового излучения. Примером таких аппаратов являются котлы, подогреватели, конденсаторы выпарные аппараты и др.
Регенераторы — такие теплообменные аппараты, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омывается то горячей, то холодной жидкостью. Сначала поверхность регенератора отбирает теплоту от горячей жидкости и нагревается, затем поверхность регенератора отдает энергию холодной жидкости. Таким образом, в регенераторах теплообмен всегда происходит в нестационарных условиях, тогда как рекуперативные теплообменные аппараты большей частью работают в стационарном режиме. Типичным примером регенеративных аппаратов являются воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей.
Так как в регенеративных и рекуперативных аппаратах процесс передачи теплоты неизбежно связан с поверхностью твердого тела, то их еще называют поверхностными.
В смесительных аппаратах теплопередача осуществляется при непосредственном контакте и смешении горячей и холодной жидкостей. Типичным примером таких теплообменников являются градирни тепловых электрических станций. В градирнях вода охлаждается атмосферным воздухом. Воздух непосредственно соприкасается с водой и перемешивается с паром, возникающим из-за частичного испарения воды.
В теплообменниках с внутренними источниками энергии применяются не два, как обычно, а один теплоноситель, который отводит теплоту, выделенную в самом аппарате. Примером таких аппаратов могут служить ядерные реакторы, электронагреватели и другие устройства.
Независимо от принципа действия теплообменные аппараты, применяющиеся в различных областях техники, как правило, имеют свои специальные названия. Эти названия определяются технологическим назначением и конструктивными особенностями теплообменных устройств. Однако с теплотехнической точки зрения вес аппараты имеют одно назначение — передачу теплоты от одного теплоносителя к другому или поверхности твердого тела к движущимся теплоносителям
Задание для расчета. Определить требуемые площадь поверхности теплообмена кожухотрубчатого теплообменного аппарата (рис.1.) и суммарную на прокачивание теплоностителей по его каналам N для охлаждения горячего теплоносителя с массовым расходом температуры t1’ на входе в теплообменный аппарат до температуры t1” на выходе из него. Температура холодного теплоносителя (воды) изменяется от t2’ на входе в теплообменный аппарат до t2’’ на выходе из него. Горячий теплоноситель движется внутри n труб с внутренним диаметром d равным 14 мм. Толщина стенки труб равна 1мм. Вода обтекает трубы теплообменного аппарата снаружи продольно, двигаясь в межтрубном кнале, образованном поверхностями труб и кожухом с внутренним диаметром D.
1.Исходные данные.
1.1.Горячий теплоноситель – метанол.
1.2.Температуры теплоносителей: t1’ =160 оС; t1”=100 оС;
t2’ =40 оС; t2’’=80 оС;
1.3.Расход горячего теплоносителя: М1=4,2 кг/с
1.4.Схема движения теплоносителей – прямоток.
1.5.Параметры теплообменного аппарата:
D=0.08м; d=0,014м; =0.001 м; n=12 шт
1.6.Теплопроводность материала труб =18Вт/(м2К)
2.Тепловой расчет.
2.1.Средний температурный напор (прямоток)
2.2. Определяющие температуры
Для воды:
t2 = = ºC;
Для метанола:
t1 = t2+tср = 60+55,55 = 115,55 0С
2.3. Теплофизические свойства теплоносителей при определяющих температурах.
|
метанол |
вода |
tf,oC |
115,55 |
60 |
|
690 |
983,2 |
Cp, Дж/кг*К |
3520 |
4176 |
|
0,1785 |
0,659 |
|
0,00017 |
0,0004694 |
2.4. Площади поперечного сечения каналов
Внутри труб:
В межтрубном пространстве:
2.5. Эквивалентный диаметр межтрубного пространства
2.6 Определяем тепловой поток
4,2*3520*(160 – 100) = 887040 Вт;
2.7 Определяем расход холодного теплоносителя (воды)
;
2.8. Скорости движения теплоносителей
2.9.Числа Рейнольдса
Режим турбулентный
Режим турбулентный
2.10 Числа Нуссельта в первом приближении
Зададимся температурой стенки в первом приближении
tСТ = 87,775 ºС;
Свойства |
метанол |
вода |
|
87.775 |
87.775 |
|
3119 |
4205 |
|
0.18478 |
0.6775 |
|
0.0002488 |
0.000327 |
2.11 Определяем числа Нуссельта в первом приближении
Nu = ;
PrЖ1 = 3,352;
PrЖ2 = 2,97;
PrСТ1 = 4,2;
PrСТ2 = 2,03;
Nu1 = 0,021*187517.60,8*3,3520,43*(3,352 / 4,2)0,25 = 522,1;
Nu2 = 0,021*53026.820,8*2,970,43*(2,97 / 2,03)0,25 = 222,07;
2.12 Определяем коэффициенты теплоотдачи
Nu = ;
αi = ;
α1 = 6656,775 Вт / м2*К;
α2 = 11966 Вт / м2*К;
2.13 Определяем линейный коэффициент теплопередачи
k1 = 3456,1 Вт / м2*К;
2.14 Определяем температуры стенки во втором приближении
tСТ1 = tЖ1 - 115.55 - 86.16 ºС;
tСТ2 = tЖ + 60 + 76.04 ºС;
Свойства |
Метанол |
Вода |
tСТ, оС |
86.16 |
76.04 |
Ср, Дж / (кг*К) |
3110 |
4191,2 |
, Вт / (м2*К) |
0,1867 |
0.671 |
, Па*с |
0,0002681 |
0.0003779 |
2.15 Определяем числа Нуссельта во втором приближении
Nu = ;
PrЖ1 = 3,352;
PrЖ2 = 2,97;
PrСТ1 = 4.466;
PrСТ2 = 2.36;
Nu1 = 0,021*187517.60,8*3,3520,43*(3,352 / 4,466)0,25 = 543;
Nu2 = 0,021*53026.820,8*2,970,43*(2,97 / 2,36)0,25 = 214.2;
2.16 Определяем коэффициенты теплоотдачи
α1 = 6923,25 Вт / м2*К;
α2 = 11541.93 Вт / м2*К;
2.17 Определяем линейный коэффициент теплопередачи
k2 = 3488.81 Вт / м2*К;
2.18. Площадь поверхности теплообменника
2.19. Длина каналов
м
3.Гидравлический расчет теплообменника
3.1 Определяем коэффициенты гидравлического трения
== 0,0138;
== 0,0193;
3.2 Определяем перепад давления в каналах
= = 29950,79 Па;
= = 26953.92 Па;
3.3 Определяем мощности на прокачивание теплоносителей по каналам
= 182.31 Вт;
= 145.57 Вт;
3.4 Определяем коэффициент поверхности теплообмена
E = = = 2705.372;