Рецензент Ю.М.Кольчик, канд. техн. наук, доцент

РОЗРАХУНОК

ТЕПЛООБМІННОГО АПАРАТА

Методичні вказівки

до виконання курсової роботи

для студентів спеціальності 7.092108

„Теплогазопостачання і вентиляція”

всіх форм навчання

Київ – 2004

ББК 31.31

Р64

Укладачі: Е.С.Малкін, д-р техн. наук, професор

І.Е.Фуртат, канд. техн. наук, доцент

Рецензент Ю.М.Кольчик, канд. техн. наук, доцент

Відповідальний за випуск А.А.Худенко, д-р техн. наук, професор

Затверджено на засіданні кафедри теплотехніки,
протокол № 1 від 9 вересня 2004 р.

Видається в авторській редакції.

Розрахунок теплообмінного апарата: Методичні вказівки

Р64 до виконання курсової роботи / Уклад.: Е.С.Малкін, І.Е.Фуртат – К.: КНУБА, 2004. – 16 с.

Наведені дані для виконання курсової роботи і методика її виконання. Містяться необхідні довідкові відомості.

Призначені для студентів спеціальності 7.092108 "Теплогазопостачання і вентиляція" для використання при виконані курсової роботи.

Курсова робота з конструктивного розрахунку теплообмінного апарату рекуперативного типу виконується в кінці вивчення курсу „Тепломасообмін”. Мета її – поглибити знання з теорії передачі теплоти, практично застосувати їх до теплових і гідромеханічних розрахунків теплообмінних апаратів, а також придбати навички компонування теплообмінних апаратів.

Тепловий і гідромеханічний розрахунки тісно пов’язані з конструкцією теплообмінного апарату, тому вони повинні здійснюватися одночасно з компонуванням апарату.

Курсова робота оформлюється на стандартних аркушах (210×297 мм). В ній слід навести розрахункові формули, детальні обчислення з посиланням на джерела величин, що входять у рівняння, і кінцевий результат.

Вихідні дані на роботу вибирають з табл. 1 за двома останніми цифрами номеру залікової книжки: за передостанньою – перша половина завдання, а за останньою – друга. На першій сторінці курсової роботи слід привести вихідні дані та вказати мету і задачі виконання курсової роботи.

Курсова робота повинна бути виконана і захищена у встановлений за графіком термін.

КОНСТРУКТИВНИЙ РОЗРАХУНОК ТЕПЛООБМІННОГО АПАРАТУ

Задача конструктивного розрахунку – визначити при заданій тепловій потужності геометричні розміри теплообмінника.

Розрахунок виконується за допомогою системи трьох рівнянь: двох рівнянь теплового балансу для гарячого і холодного теплоносіїв та рівняння теплопередачі:

де Q – теплова потужність теплообмінника, Вт; с₁ і с₂ – масові теплоємності першого та другого теплоносіїв відповідно, Дж/(кг ∙^оС); t¢₁, t²₁ – температури першого теплоносія на вході і виході, ^оС; t¢₂, t²₂ – температури другого теплоносія на вході і виході, ^оС; k – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м²∙ ^оС); – середньо логарифмічний температурний напір, ^оС, F – площа поверхні теплообміну, м².

З одного з рівнянь теплового балансу визначається теплова потужність теплообмінника, знаходиться коефіцієнт теплопередачі, як величина зворотна до суми термічних опорів процесам переносу теплоти, визначається середньо логарифмічний температурний напір і, нарешті, з рівняння теплопередачі обчислюється площа поверхні теплообміну.

Фізичні властивості теплоносіїв знаходяться за додатками 1– 3. Коефіцієнт теплопровідності матеріалу корпусу теплообмінника – за додатком 5.

Конструктивний розрахунок рекуперативного теплообмінного апарату виконується в такій послідовності.

1. Згідно із завданням (табл. 1) в залежності від роду теплоносіїв обирається напрям їх відносної течії: „вода – вода” – протитечія (як найбільш ефективна); „пара – вода” – прямотечія (при фазових переходах напрямок руху значення не має); „повітря – вода” – перехресна течія.

2. Задаємось температурою першого теплоносія на виході: для прямотечії – (але в нашому випадку, оскільки гарячий теплоносій пара, що конденсується, – його температура є сталою ); для протитечії – ;для перехресної течії – .

3. Визначаємо фізичні властивості теплоносіїв при їх середніх температурах (): густини r₁ і r₂, теплоємності с₁ і с₂, коефіцієнти теплопровідності l₁ і l₂, коефіцієнти кінематичної в’язкості n₁ і n₂ та числа Прандтля Pr₁ і Pr₂.

4. З рівняння теплового балансу для другого (холодного) теплоносія визначаємо теплову потужність теплообмінника, Вт:

5. З рівняння теплового балансу для першого (гарячого) теплоносія визначаємо його масові витрати, кг/с:

для води і повітря

для пари ,

де r – питома теплота пароутворення, Дж/кг.

6. Задаємось швидкостями теплоносіїв w₁ і w₂, обираючи їх таким чином, щоб вони забезпечували турбулентний режим руху теплоносіїв і не приводили до надто великих гідравлічних опорів: швидкість руху води приймають 1 ¸ 2 м/с; швидкість парових і газових середовищ – 10 ¸ 30 м/с.

7. Визначаємо кількість труб N₂ в одному ході теплообмінного апарату по холодному теплоносію, який рухається всередині труб

,

де d₁ – внутрішній діаметр труби.

Якщо кількість труб не є цілим числом, приймаємо найближче ціле і уточнюємо швидкість руху теплоносія

8. Задаємось робочою довжиною труб в теплообмінному апараті: „рідина – рідина” і „пара – рідина” – 2 ¸ 4 м; „газ – рідина” – 0,5 ¸ 1,6 м.

9. Знаходимо габарити каналів, по яких тече гарячий теплоносій:

де S₁ – живий переріз каналу.

Також знаходимо еквівалентні діаметри:

де u – змочений периметр.

Тоді для варіанту теплообмінника „труба в трубі” (розповсюджений для теплоносіїв „рідина – рідина”) маємо:

тобто ,

де d₂ – зовнішній діаметр внутрішньої труби; D – внутрішній діаметр зовнішньої труби.

В цьому випадку еквівалентний діаметр

.

Для багатоходового по трубному простору теплообмінника („пара – вода”):

тобто .

В цьому випадку еквівалентний діаметр

.

Для теплообмінника перехресного току („газ – рідина”) знаходимо поперечний крок пучка (в найбільш тісному ряду):

, тобто ,

де n – кількість труб в найтіснішому ряду; l – робоча довжина труби; s₁ – поперечний крок пучка.

В цьому випадку еквівалентний діаметр

.

10. Визначаємо коефіцієнт теплопередачі.

Якщо d₂/d₁ £ 1,7, то можна вести розрахунки для труби, як для плоскої стінки, тобто

,

де a₁, a₂ – коефіцієнти тепловіддачі від гарячого і до холодного теплоносія відповідно, Вт/(м²∙^оС); l, l_н – коефіцієнти теплопровідності матеріалу стінки і накипу відповідно, Вт/(м∙^оС); d_н – товщина накипу, м.

Тобто задача звелася до знаходження коефіцієнтів тепловіддачі.

Задаємося у першому наближенні температурою стінки:

для теплообмінника „рідина – рідина” та „пара – рідина”

;

для теплообмінника „газ – рідина”

.

За температурою стінки визначаємо критерій Прандтля рідини при температурі стінки.

Для всіх типів теплообмінників знаходимо коефіцієнт тепловіддачі від стінки до холодного теплоносія через критерій Нусельта – безрозмірний коефіцієнт тепловіддачі. Визначаємо критерій Рейнольдса

Визначаємо критерій Нусельта за залежністю:

Коефіцієнт тепловіддачі:

Гарячий теплоносій – вода:

Визначаємо критерій Нусельта за залежністю:

Коефіцієнт тепловіддачі:

Гарячий теплоносій – пара:

,

де g – прискорення вільного падіння, r – питома теплота пароутворення, Дж/кг; А та х₀ коефіцієнт та характерний розмір, які залежать від орієнтації теплообмінника: при вертикальній орієнтації А = 1,13, x₀ = l; при горизонтальній – А = 0,72, x₀ = d₂. Фізичні властивості беруться як властивості конденсату (рідини на лінії насичення).

Гарячий теплоносій – повітря:

Для коридорного пучка

,

де m – кількість рядів пучка по потоку.

Для шахового пучка

Якщо кількість труб у непарних і парних рядах однакова

.

Якщо кількість труб в непарних рядах n₁, а в парних n₂:

якщо m – парне ;

якщо m – непарне .

Визначаємо густину теплового потоку

,

а потім знаходимо температури стінки у другому наближенні:

і

і перераховуємо коефіцієнти тепловіддачі.

Знаходимо коефіцієнт теплопередачі.

11. Визначаємо середньо логарифмічний температурний напір:

для прямотечії ;

для протитечії

для перехресної течії

Поправка знаходиться за [1 c. 448].

12. Знаходимо поверхню теплообміну

13. Знаходимо кількість секцій теплообмінного апарату

ГІДРОМЕХАНІЧНИЙ РОЗРАХУНОК

Для більшості промислових теплообмінників повний напір, необхідний при русі рідини або газу складається з опору тертя і втрат на місцеві опори. Таким чином:

,

де x_тер і x_м – коефіцієнти опору тертя та місцевих опорів відповідно.

Коефіцієнт опору тертя залежить від режиму руху. При турбулентному режимі

.

Значення коефіцієнту місцевих опорів вибирається за додатком 4.

Гідравлічний опір визначає значення потужності, необхідне для переміщення теплоносія крізь теплообмінний апарат.

Потужність на валу насоса або вентилятора

,

де h – коефіцієнт корисної дії (ККД) насоса або вентилятора.

Розрахунок виконується для кожного з теплоносіїв окремо.

Поиск по сайту: