Содержание
1. Исходные данные
2. Математическая модель
2.1 Расчёт параметровтеплоносителей
2.2 Полученные результаты
3. Теплофизическиесвойства теплоносителей
3.1 Горячий теплоноситель
3.2 Холодныйтеплоноситель
4. Эскизная компоновкатеплообменника
5. Гидравлический и аэродинамический,тепловой расчёты
5.1 Холодныйтеплоноситель
5.1.1 Гидравлическийрасчёт
5.1.2 Тепловой расчёт
5.2 Горячий теплоноситель
5.2.1 Аэродинамическийрасчёт
5.2.2 Тепловой расчёт
6. Интенсификациятеплообменного аппарата
Литература
1. Исходные данные
Цель:разработка рекуперативного теплообменного аппарата для концевого охлаждениявоздушно-компрессорной установки.
Исходныеданные приведены в таблице 1.1.
Таблица 1.1 – Исходные данные согласно варианту
Объёмный расход воздуха, />
/>
Давление всасывания, />
/>
Температура всасывания, />
/> Давление нагнетания, МПа
/>
Политропный кпд, />
/> Условный показатель политропы
/> Горячий теплоноситель Воздух Холодный теплоноситель Вода Тип теплообменного аппарата Рекуперативный
Температура поступающего холодного теплоносителя, />
/>
Принципиальнаясхема установки приведена на рис. 1.1.
/>
2. Математическая модель
Уравнение состояния газа:
/>. (2.1)
Первый закон термодинамики:
/> . (2.2)
Работа компрессора в политропном приближении:
/> (2.3)
Уравнение аддитивности:
/>. (2.4)
Тепловой поток, отбираемый от горячего теплоносителя:
/>. (2.5)
Тепловой поток, передаваемый холодному теплоносителю:
/>. (2.6)
Средне логарифмический температурный напор:
/>, (2.7)
где />; />.
Уравнение Ньютона – Рихмана:
/>. (2.8)
Коэффициент теплопередачи в I-м приближении:
/> (2.9)
Уравнение неразрывности:
/>/>. (2.10)
Число Рейнольдса:
/>. (2.11)
Коэффициент теплоотдачи для гладких труб:
/>. (2.12)
Коэффициент теплопередачи во II-м приближении:
/>. (2.13)
Степень эффективности ребра:
/>. (2.14)
Коэффициент межтрубного пространства:
/>. (2.15)
Коэффициент теплоотдачи от оребрённых труб:
/>. (2.16)
Коэффициент теплопередачи от оребрённых труб:
/>. (2.17)
Потери давления за счёт оребрения труб:
/>. (2.18)
2.1 Расчёт параметровтеплоносителей
Из (2.1), плотность горячего теплоносителя на входе вкомпрессор:
/>
где />газоваяпостоянная для воздуха.
Массовый расход горячего теплоносителя:
/>.
Из уравнения политропного сжатия, определяем температуругорячего теплоносителя после процесса сжатия в компрессоре:
/>.
Заранее принимаем температуру горячего теплоносителя навыходе из теплообменного аппарата равной />.
Считаем, что теплоемкость не сильно зависит от давления:
/>,
/>.
Согласно (2.4):
/>.
Тепловой поток, отбираемый от горячего теплоносителя, (2.5)
/>.
Заранее принимаем температуру холодного теплоносителя навыходе из теплообменного аппарата равной />.
Теплоемкость холодного теплоносителя:
/>,
/>.
Согласно (2.4):
/>.
Принимаем, что потери отсутствуют при теплопередаче междухолодным и горячим теплоносителями:
/>,
Из (2.5) найдём массовый расход холодного теплоносителя:
/>.
Удельная работа сжатия компрессора, (2.3):
/>.
Давление горячего теплоносителя на входе в теплообменныйаппарат:
/>.
Давление горячего теплоносителя на выходе из теплообменногоаппарата:
/>.
Допустимые потери давления для горячего теплоносителя:
/>.
2.2 Полученные результаты
Полученные результаты приведены в таблице 3.2 и 3.3.
Таблица 3.2 – Полученный результат для горячего теплоносителя горячий теплоноситель параметры на всасывание давление температура расход МПа 0С м3/мин кг/сек 0,28 -5 12 0,728 параметры на входе давление температура теплоемкость средняя теплоемкость МПа 0С кДж/(кг*К) кДж/(кг*К) 1,1 109,1 1,009 1,011 параметры на выходе давление температура теплоемкость МПа 0С кДж/(кг*К) 1,078 30 1,005
Таблица 3.3 – Полученный результат для холодного теплоносителя холодный теплоноситель параметры на входе температура теплоемкость средняя теплоемкость 0С кДж/(кг*К) кДж/(кг*К) 20 4,183 4,165 параметры на выходе температура теплоемкость массовый расход 0С кДж/(кг*К) кг/сек 40 4,174 0,699
3. Теплофизические свойстватеплоносителей
3.1 Горячий теплоноситель
Параметры на входе в теплообменный аппарат.
Из уравнения (2.1), плотность теплоносителя:
/>
/>,
где давление и температура берутся из табл. 3.2.
Среднее значение плотности горячего теплоносителя:
/>.
Средняя температура теплоносителя:
/>.
Принимаем, что теплофизические свойства вещества не зависятот давления в данном случае.
Для данной температуры />,из [1] ст. 27 приведены значения в таблице 3.1.
Таблица 4.1 – Теплофизические свойства горячего теплоносителя
/>
/>
/>
/>
/> 2,96 28,6 20,6 20,02 0,694
3.2 Холодный теплоноситель
Холодный теплоноситель – жидкость, параметры которойприведены ниже:
/>,
/>,
/>.
Теплофизические свойства холодного теплоносителя из [5, с.78, приведены в таблице 3.2.
теплообменный аппарат расчет
Таблица 4.2 – Теплофизические свойства холодного теплоносителя
/>
/>
/>
/> 0,618 0,0712 0,805 5,42
Принимаем перекрёстно-противоточную схему движениятеплоносителей (четырёх кратную – это значит, что перегородок должно быть триштуки – х =3). Поправочный коэффициент определяем по монограмме [1] с. 12.
/>
Поправочный множитель принимаем равным />.
Средне логарифмический температурный напор (2.6)
/>.
где />; />.
Учитывая поправочный множитель, />.
/>
Рисунок 3.1 – Противоточная схема движения теплоносителей
Из (2.7), площадь теплообмена:
/>,
где /> коэффициенттеплопередачи (2.8):
/>,
где /> -коэффициенты, взятые из [1] с.9.
Результаты расчётов и теплофизические свойстватеплоносителей приведены в таблице 3.3.
Таблица 4.3 – Результаты расчётов горячий теплоноситель холодный теплоноситель
/>
/>
/>
/>
Температура, /> 109,1 30 20 40
Давление, /> 1,1 1,078 0,1013 0,1013
Плотность, /> 10,03 12,4 998,2 992,2
Теплопроводность, /> 2,96 61,8
Кинематическая вязкость, /> 20,02 0,805 Число Прандтля 0,694 5,42
Средне логарифмическая разность температур, /> 30
Площадь теплоотдающей поверхности, /> 66,92
4. Эскизная компоновкатеплообменника
Скорость движения холодного теплоносителя (воды) втеплообменном аппарате принимаем равной />.
Принимаем трубу с параметрами 18х2 мм из стандартногоряда. Материалтруб Сталь 08 сп, теплопроводность которой при данных температурных условияхсоставляет />, плотность />, модуль упругости />.
Химический состав труб Сталь 08 спC Mn Si Ni S P Cu Cr As 0,05-0,11 0,25-0,5 до 0,03 до 0,25 до 0,04 до 0,035 до 0,25 до 0,1 до 0,08
Число труб в теплообменном аппарате:
/>.
Принимаем число труб />,число ходов />.
Уточнённая скорость движения холодного теплоносителя:
/>.
Длина трубы:
/>.
Для кожухотрубчастых аппаратов в зависимости отпроизводительности длина трубы принимается в диапазоне />.
Расстояние между трубами:
/>.
Диаметр входного патрубка для холодного теплоносителя:
/>.
Диаметр входного патрубка для горячего теплоносителя:
/>.
Внутренний диаметр кожуха:
/>,
где /> – число труб в наибольшейдиагонали.
Расстояние между перегородками:
/>.
Число перегородок:
/>,
примем /> – дляувеличения скорости горячего теплоносителя.
5. Гидравлический, аэродинамический и тепловой расчёты
5.1 Холодный теплоноситель
5.1.1 Гидравлический расчёт
Число Рейнольдса (2.10):
/>.
Режим течения – турбулентный.
Коэффициент гидравлического сопротивления приустановившемся течении:
/>
Суммарные потери давления:
/>.
/> –местное сопротивление, поворот на 1800 с одной секции в другую черезпромежуточную камеру.
Местное сопротивление взято из [1], с. 22.
5.1.2 Тепловой расчёт
Осреднённая теплоотдача:
/>,
/>.
Коэффициент теплоотдачи (2.11):
/>.
5.2 Горячий теплоноситель
5.2.1 Аэродинамический расчёт
Площадь проходного сечения:
/>,
/> -число перегородок в кожухе (в радиальном направлении).
Средне расходная скорость теплоносителя:
/>.
Местные сопротивление взяты из:
/> –вход в межтрубное пространство под углом в 900 к холодному теплоносителю;
/> –огибание радиальных перегородок;
/> –выход из межтрубного пространства под углом в 900 к холодному теплоносителю.
Коэффициент потерь при радиальном обтекании пучка труб:
/>.
Суммарное аэродинамическое сопротивление:
/>
/>
Принятые потери давления: />.
/>,условие выполняется.
Число Рейнольдса (2.10):
/>,
где /> –наружный диаметр труб (для поперечного обтекания шахматного пучка трубхарактерным размером является наружный диаметр).
/>.
5.2.2 Тепловой расчёт
Осреднённая теплоотдача для одной трубы в средине пучка:
/>,
где параметры А, m, n – взяты из [1], с.21 для шахматного расположения труб.
Теплоотдача от всего пучка труб:
/>,
где /> – коэффициентугла атаки;
/> –учитывает влияние от числа рядов; определили по рис. В1 [1], с.20.
Коэффициент теплоотдачи (2.11):
/>.
Коэффициент теплопередачи (2.12):
/>.
Площадь теплообменного аппарата (2.7):
/>.
Длина тубы:
/>.
Длина трубы очень большая, для её уменьшения необходимопроизвести интенсификацию теплообменного аппарата.
6. Интенсификация теплообменногоаппарата
Так как полученные значения числа Рейнольдса для горячеготеплоносителя малы, то принимаем метод интенсификации теплообменного аппарата засчёт оребрения, для увеличения коэффициента теплоотдачи воздуха. Рёбра накатанныетрапециевидные. Материал ребер – алюминий, с теплопроводностью при данныхтемпературных условиях равной />.
Геометрические параметры ребер:
1) высота ребра:
/>;
2) толщина ребра (торца):
/>;
3) толщина основания ребра:
/>;
4) шаг между рёбрами:
/>;
5) толщина накатанной стенки:
/>;
6) диаметр оребрённой поверхности:
/>;
Расстояние между рёбрами:
/>.
Площадь поверхности рёбер, отнесённая к 1 метру труб (из[2, с.]):
/>
Площадь поверхности труб свободной от рёбер (межрёберныхучастков) отнесённая к 1 метру труб (из [2, с.]):
/>
Площадь оребрённой поверхности труб отнесённая к 1 метрутруб:
/>
Площадь гладкой поверхности труб, отнесённая к 1 метру труб:
/>.
Коэффициент оребрения отнесённый к наружной поверхности:
/>.
С учетом оребрения строим эскиз поперечного сечениятеплообменника. Учитывая расположение труб в виде правильного треугольника. А размещениетрубной решетки внутри кожуха в виде шестиугольника.
Коэффициент межтрубного пространства:
/>
где /> – уголнаклона навивки ребер теплообменника.
Площадь проходного сечения:
/>,
Скорость движения горячего теплоносителя:
/>.
ЧислоРейнольдса, (2.10):
/>.
где
/>;
/>
Здесь вкачестве определяющего размера принята величина эквивалентного диаметрасуженного проходного сечения. Взято из [2, с. 308].
/>
Критерий Нуссельта для шахматного оребрённого пучка:
/>,
где
/>,/>.
Коэффициенты взяты из [1], с. 23.
/>
Коэффициент теплоотдачи для гладких труб (с учетом слояалюминия), [2]:
/>.
Степень эффективности ребра, [2 с. 309]:
/>,
где
/>;
/>.
Приведённый коэффициент теплоотдачи от оребрённых труб(отнесённый к оребрённой поверхности), [3]:
/>
Коэффициент теплопередачи, приведённый к наружнойповерхности, [3]:
/>;
/>.
В действительности с учётом изменения коэффициентатеплоотдачи и температуры вдоль ребра эффект от оребрения может бытьзначительно меньше (действительный коэффициент теплоотдачи можно получить толькоэкспериментально).
Потери давления за счёт оребрения труб, [2]:
/>,
где
/>.
/> –количество рядов.
/>.
Суммарные потери давления:
/>
/>
Принятые потери давления: />.
/>,условие выполняется.
Площадь теплообменного аппарата:
/>. С учётом того,что расчётная площадь может быть значительно занижена, найдём её с учётом 30 %запаса [2, c. 317]. />.
Длина трубы:
/>
/>.
Литература
1. Методические указания к выполнениюкурсовой работы с дисциплины «Тепломассообмен»/ Автора: В.М. Марченко, С.С.Мелейчук.- Сумы: Узд-во СумГУ, 2006. — 29 с.
2. Тепловые и конструктивные расчётыхолодильных машин: Под общ. ред. д-ра техн. наук профессора / Н.Н. Кошкина. –Л.: Машиностроение, 1976. – 461 с.
3. Теплообменные аппараты холодильныхустановок/Г.Н. Данилова, С.Н. Богданов, О.П. Иванов и др.; Под общ. ред. д-ратехн. наук Г.Н. Данило-вой. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение.Ленингр. отделение, 1986. – 303 с.: ил.
4. Холодильные машины: Учебник для Вузов/Н.Н. Кошкин, И.А. Сакун, Е.М. Бамбушек и др.; Под. Ред. И.А. Сакуна. – Л.: Машиностроение,1985. – 510 с.
5. С.Л. Ривкин, А.А. Александров. Термодинамическиесвойства воды и водяного пара. М.: Энергия, 1975.