Расчет теплообменного аппарата - Вариант 10

Московский Государственный Университет Инженерной Экологии

Кафедра “Теплотехника и теплопередача”

Курсовой проект по теплопередаче

Тема проекта: Расчет теплообменного аппарата

Преподаватель: Богомолова Н. П.

Студент: Купцов А. Н.

Группа: К - 35

Москва 2002

1. 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.

2. 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 с массовым расходом М₁ от температуры t₁^' на входе в теплообменный аппарат до температуры t₁^' на выходе из него. Температура холодного теплоносителя (воды) на входе и на выходе из теплообменного аппарата равны соответственно t₂^' и t₂^''. Горячий теплоноситель движется внутри n 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. Длина секции теплообменника L=2 м.

1. Исходные данные:

- Горячий теплоноситель – бензол.

- Температуры теплоносителей:

t₁^' = 160 ^оС;

t₁'' = 100 ^оС

t₂' = 40 ^оС;

t₂'' = 80 ^оС

- Расход горячего теплоносителя: М₁ = 2,1 кг/с

- Схема движения теплоносителей – прямоток.

- Параметры теплообменного аппарата:

D = 0,08 м;

d = 0,014 м;

δ_ст = 0,001 м;

n = 7 шт.

- Теплопроводность материала труб λ_ст = 18 Вт/(м²К)

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.

1. Тепловой конструкторский расчет теплообменника

1. Определяем средние удельные теплоемкости в интервалах изменений температур теплоносителей

Для бензола:

t_1ср = = ºC;

По данным интерполирования имеем:

C_pm1= = 2094 Дж/кг*К;

С_1pm = 2094 Дж/кг*K;

Для воды:

t_2ср = = ºC;

По [1¹, стр. 264, табл. 11]

При t_2ср = 60 ºС → С_2pm = 4, 179 кДж/кг*ºC = 4176 Дж/кг*K;

4.2 Определяем тепловой поток

2,1*2094*(160 – 100) = 263844 Вт;

4.3 Определяем расход холодного теплоносителя (воды)

;

1. Определяем средний температурный напор (прямоток)

;

1. Определяем определяющие температуры

∆t₁ = t₁^'' – t₁^' = 100 – 160 = - 60 ºC;

∆t₂ = t₂^'' – t₂^' = 80 – 40 = 40 ºC;

∆t_ВХ = t₁^' – t₂^' = 160 – 40 = 120 ºC;

Для бензола:

t_Ж1 = 121,6 ºС;

Для воды:

t_Ж2 = t_Ж1 - ∆t_СР = 121,6 – 55,87 = 65,73 ºС;

Для бензола:

t = 102 ^оС →  = 798 кг / м³;

t = 127 ^оС →  = 767 кг / м³;

 = = 773,696 кг / м³;

t = 102 ^оС → C_pm = 1980 Дж / кг*К;

t = 127 ^оС → C_pm = 2080 Дж / кг*К;

C_pm = = 2058,4 Дж / кг*К;

t = 102 ^оС →  = 0,126 Вт / (м²*К);

t = 127 ^оС →  = 0,119 Вт / (м²*К);

 = = 0,120512 Вт / (м²*К);

t = 102 ^оС →  = 0,000258 Па*с;

t = 127 ^оС →  = 0,000205 Па*с;

 = = 0,000216448 Па*с;

t = 102 ^оС →  = 0,00137 К^-1;

t = 127 ^оС →  = 0,00167 К^-1;

 = = 0,0016052 К^-1;

Для воды:

t = 60 ^оС →  = 983,2 кг / м³;

t = 80 ^оС →  = 971,8 кг / м³;

 = = 979,762 кг / м³;

t = 60 ^оС → C_pm = 4176 Дж / кг*К;

t = 80 ^оС → C_pm = 4195 Дж / кг*К;

C_pm = = 4181,4435 Дж / кг*К;

t = 60 ^оС →  = 0,6590 Вт / (м²*К);

t = 80 ^оС →  = 0,6740 Вт / (м²*К);

 = = 0,6632975 Вт / (м²*К);

t = 60 ^оС →  = 0,0004694 Па*с;

t = 80 ^оС →  = 0,0003551 Па*с;

 = = 0,00043665305 Па*с;

t = 60 ^оС →  = 0,000511 К^-1;

t = 80 ^оС →  = 0,000632 К^-1;

 = = 0,0005456665 К^-1;

1. Определяем площади поперечного сечения каналов

1. Внутри труб

f₁ = 0,001077 м²;

1. В межтрубном пространстве

f₂ = 0,003617 м²;

4.7 Определяем эквивалентный диаметр межтрубного пространства

d_ЭКВ = 0,023998 м;

4.8 Определяем скорости движения теплоносителей

w₁ = 2,52 м / с;

w₂ = 0,44 м / с;

4.9 Определяем числа Рейнольдса

Re₁ = 126321,33; > 1*10⁴

Re₂ = 23785,36; > 1*10⁴

Т.к. Re₁ и Re₂ больше 1*10⁴, то следовательно режим течения – турбулентный;

4.10 Зададимся температурой стенки в первом приближении

t_СТ = 93,665 ºС;

Для бензола

t = 80 ^оС → C_pm = 1880 Дж / кг*К;

t = 102 ^оС → C_pm = 1980 Дж / кг*К;