Корнеев С.Д., Марюшин Л.А. - Теоретические основы теплотехники

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙФЕДЕРАЦИИФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯМосковский государственный индустриальный университетКафедра промышленной теплоэнергетикиТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ТЕПЛОТЕХНИКИЧасть II. Теплопередача и тепломассообмендля специальности140104 «Промышленная теплоэнергетика»КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТРЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКАМетодические указания к выполнению курсовой работыМОСКВА 2010С.Д. Корнеев, Л.А. Марюшин.

Теоретические основы теплотехники. Конструирование и расчет рекуперативного теплообменника. Методические указания к выполнению курсовой работы.—М.: МГИУ, 2010.Настоящие методические указания к выполнению курсовойработы по теме «Конструирование и расчет рекуперативного теплообменника» по курсу « Теоретические основы теплотехники»Содержат краткие сведения о вариантах конструкций рекуперативных теплообменников, сведения об их геометрических и режимных параметрах, справочные материалы, необходимые длявыбора базового варианта конструкции и последующего конструирования и расчета теплообменного аппарата.2ОглавлениеПредисловие……………………………………………........41.

Основы выбора теплообменников теплоэнергетическихустановок……………………………………………………...51.1. Классификация рекуперативных теплообменников.….......51.2. Секционные теплообменники……….………………….......91.3. Кожухотрубные теплообменники…………………………111.4. Пластинчатые теплообменники…………………………...162. Теплотехнический расчет рекуперативноготеплообменника…………………………………………….182.1. Исходные данные к расчету рекуператора………………..212.2. Конструктивный расчет рекуператора………………….....212.2.1. Оценка площади поверхности теплообмена исечений для движения теплоносителей…………………..212.2.2. Определение геометрии поперечногосечения теплообменника………………………………….292.2.3. Расчет коэффициента теплопередачи и площадиповерхности теплообмена………………………………...312.3.

Поверочный расчет теплообменника………………………372.4. Оформление курсовой работы……………………………...39Заключение…………………………………………………..40Контрольные вопросы………………………………………40Список литературы………………………………………….41Приложение………………………………………………….423ПредисловиеВ самых различных областях техники постоянно возникаетнеобходимость в разработке и создании теплообменных аппаратов, служащих для передачи теплоты от одного теплоносителя кдругому. При этом, в соответствии с исходными требованиямирешаемой задачи необходимо выбрать подходящий вариант конструкции теплообменника; произвести его конструктивный расчет, определив при этом основные геометрические размеры конструируемого аппарата; произвести поверочный расчет проектируемого аппарата, с целью проверки, соответствует ли он исходным требованиям.Для выполнения указанных работ необходимы знания о существующих вариантах конструкций теплообменников и их технических характеристиках; знания о методах теплотехническогорасчета теплообменных аппаратов; умение пользоваться справочной и нормативной литературой; умение выполнять на практике конструирование и расчет теплообменника.Целью настоящих методических указаний является обучениестудентов умению выбирать, соответственно решаемой технической задаче, рациональную конструкцию теплообменного аппарата и выполнять его теплотехнический расчет.41.

Основы выбора теплообменниковтеплоэнергетических установокПри конструировании и эксплуатации теплоэнергетическихустановок возникает необходимость конструирования нового иливыбора и расчета стандартного теплообменного оборудования,предназначенного для работы в составе самой установки, либодля вспомогательных целей.В соответствии с содержанием задачи, которая должна бытьрешена, целесообразно использование того, или иного вида теплообменной аппаратуры. Для обоснования подобного выбора,как в процессе курсового проектирования, так и при выполнениидипломных проектов возникает необходимость разработать нетолько схематические, но и конструктивные элементы систем иустановок, включающих стандартную теплообменную аппаратуру.

Поэтому в данной разработке приведены примеры конструкций современных рекуперативных теплообменников, с указаниемих геометрических характеристик и других, необходимых приконструировании и расчете технических данных. Подобные сведения также необходимы и при расчете и конструировании новойтеплообменной аппаратуры, для того чтобы сравнить разрабатываемые конструктивные решения теплообменников с уже известными.1.1.

Классификация рекуперативных теплообменниковТеплообменным аппаратом (теплообменником) принято называть устройство для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Теплообменные аппараты, применяемые на промышленных предприятиях, могут или непосредственно входить всостав технологического оборудования, или служить для вспомогательных целей, например, для подвода теплоты к теплоносителю вне теплоиспользующей установки, или для использованиявторичной теплоты отработавших теплоносителей.По цикличности работы теплообменные аппараты подразделяют на теплообменники непрерывного и периодического действия. Для теплообменников непрерывного действия главным является установившийся режим их работы. В этом режиме оста5ются неизменными по времени расходы обоих теплоносителей,проходящих через теплообменник, а также их начальная и конечная температура.Для теплообменных аппаратов периодического действия основным является неустановившийся режим.

В этом режиме происходит изменение по времени начальной и конечной температуры одного или обоих теплоносителей. Возможно также изменение их расходов.Рекуперативными (рекуператорами) называют аппараты, вкоторых передача теплоты от одного теплоносителя к другомупроисходит через разделяющую их стенку. Процесс теплопередачи при этом складывается из теплоотдачи от греющего теплоносителя к стенке, теплопроводности и теплоотдачи от стенкик нагреваемому теплоносителю.

Прямой контакт между теплоносителями отсутствует.Одним из наиболее важных этапов проектирования теплоэнергетических установок является выбор типа и типоразмера теплообменных аппаратов, входящих в состав установки. Конструктору на самой ранней стадии проектирования следует проанализировать существующие типовые конструкции и выбрать наиболее приемлемую. Если окончательное решение не может бытьпринято сразу, то на первой стадии проектирования оправданорассмотрение нескольких более или менее подходящих типов теплообменников.

В связи с этим кратко рассмотрим классификацию и наиболее распространенные конструкции стандартных рекуперативных теплообменников.В зависимости от формы поверхности теплообмена, рекуперативные теплообменники могут быть подразделены на аппаратыс поверхностью теплообмена из труб и аппараты с поверхностьютеплообмена из листа. Теплообменные аппараты с поверхностьютеплообмена из труб, как правило, позволяют допустить значительную разность давлений теплоносителей. Теплообменники споверхностью теплообмена из листа в ряде случаев более компактны. В начале проанализируем основные варианты теплообменников с поверхностью теплообмена из труб.61.2.

Секционные теплообменникиСамо название "секционный" указывает на то, что из такихтеплообменников, путем соединения их между собой, можетбыть набрана требуемая поверхность теплообмена. Секционныйтеплообменник состоит из одной или нескольких теплопередающих труб, заключенных в общем корпусе. Поверхность теплообмена одной секции используемых в промышленности секционных теплообменников составляет 0,75—30 м2, а число труб всекции от 4 до 140. Длина трубного пучка в одной секции стандартного теплообменника обычно составляет 2 или 4 м.К разряду секционных можно отнести и теплообменникитипа «труба в трубе». Такой аппарат (рис.

1.1а) содержит толькоодну теплопередающую трубу, коаксиально расположеннуювнутри корпуса. Теплообменник снабжается патрубками дляподвода и отвода теплоносителей. Один из них движется в полости внутренней трубы 2. Другой теплоноситель движется вкольцевом зазоре между внутренней и наружной трубой 1. Внутренняя труба может иметь продольные ребра, приваренные к нейизнутри или снаружи для увеличения поверхности теплообменасо стороны потока с меньшим коэффициентом теплоотдачи.Секции теплообменника по ходу движения теплоносителямогут быть соединены последовательно или параллельно.

На рис.1.1б представлено последовательное соединение секций, как походу греющего, так и по ходу нагреваемого теплоносителей.б)а)Рис.1.1. Секционные теплообменники.Преимуществами теплообменников типа «труба в трубе» являются высокие коэффициенты теплоотдачи, пригодность для7paботы при высоком давлении теплоносителей, простота изготовления, монтажа и обслуживания. К недостаткам относятся:низкая компактность, высокая стоимость из-за большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене,сложность очистки кольцевого пространства между трубами.Теплообменники типа «труба в трубе» используются в основном для нагревания или охлаждения теплоносителя в тех случаях, когда требуются сравнительно небольшие поверхности теплообмена.

Они также могут использоваться в процессах, сопровождающихся кипением или конденсацией теплоносителя. Преимущество теплообменника «труба в трубе» заключается в разнообразии компоновок, и, кроме того, они могут быть быстро собраны из стандартных элементов на месте монтажа. При необходимости поверхность теплообмена может быть увеличена за счетустановки дополнительных секций. Упрощается контроль распределения потоков теплоносителя по каждому каналу теплообменника, что особенно важно при охлаждении вязких жидкостей,когда в случае необходимости один насос может быть установлендля группы теплообменников. Главными недостатками теплообменников типа «труба в трубе» являются большой объем и высокая стоимость в расчете на единицу поверхности теплообмена.Дальнейшее развитие конструкции секционных теплообменных аппаратов представляют собой теплообменники (рис.

1.1б),в корпусе 1 которых размещается не одна труба, а пучок труб 2.Такой аппарат компактнее теплообменника типа "труба в трубе"и, в расчете на единицу площади поверхности теплообмена, дешевле. Конструктивное оформление и основные размеры стандартных секционных теплообменников приведены на рис.

1.2, аих технические данные — в табл. 1.1. Общая компоновка секций,соединенных последовательно как по ходу греющего так и по ходу нагреваемого теплоносителя ясна из рис. 1.3. Трубный пучоквыполнен из трубок 16  1 (первое число – наружный диаметртрубки, второе – толщина стенки трубки). В третьем столбцетабл.1.1 приведены отношения наружного диаметра корпуса теплообменника D* к его внутреннему диаметру Dв.Следует отметить, что в секционных теплообменниках длинатрубного пучка обычно в десятки раз больше диаметра корпуса.8Поэтому в них практически осуществимы лишь две схемы движения теплоносителей: прямоточная и противоточная.Рис.1.2. Основные размеры секционных теплообменников безкомпенсатора температурных удлинений: 1 — секция; 2 — калачс фланцем; 3 — переход с фланцем.Рис.