Московский 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+t_ср = 60+55,55 = 115,55 ⁰С

2.3. Теплофизические свойства теплоносителей при определяющих температурах.

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

t_СТ = 87,775 ºС;

2.11 Определяем числа Нуссельта в первом приближении

Nu = ;

Pr_Ж1 = 3,352;

Pr_Ж2 = 2,97;

Pr_СТ1 = 4,2;

Pr_СТ2 = 2,03;

Nu₁ = 0,021*187517.6^0,8*3,352^0,43*(3,352 / 4,2)^0,25 = 522,1;

Nu₂ = 0,021*53026.82^0,8*2,97^0,43*(2,97 / 2,03)^0,25 = 222,07;

2.12 Определяем коэффициенты теплоотдачи

Nu = ;

α_i = ;

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

t_СТ1 = t_Ж1 - 115.55 - 86.16 ºС;

t_СТ2 = t_Ж + 60 + 76.04 ºС;

2.15 Определяем числа Нуссельта во втором приближении

Nu = ;

Pr_Ж1 = 3,352;

Pr_Ж2 = 2,97;

Pr_СТ1 = 4.466;

Pr_СТ2 = 2.36;

Nu₁ = 0,021*187517.6^0,8*3,352^0,43*(3,352 / 4,466)^0,25 = 543;

Nu₂ = 0,021*53026.82^0,8*2,97^0,43*(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;

9