Государственный комитет российской федерации по рыболовству
Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Мурманский государственный технический университет»
Расчетно-графическое задание
по дисциплине «Теоретические основы теплотехники»
«Расчет теплообменных аппаратов»
Выполнила:
студентка группы ВЭП-371.01.
Донцова Ю.Г.
Проверил:
Шорников В.П.
Мурманск
2010
Содержание
Вариант задания
Задание
1. Расчет пароводяного подогревателя
2. Расчет секционного водоводяного подогревателя
3. Расчетные данные пароводяного и секционного водоводяного теплообменников
4. Учебно-исследовательский раздел
5. Подбор критериальных уравнений для имеющих место случаев теплообмена т.о. аппаратах. Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи
Список литературы
Вариант задания для курсового проекта
Вариант ( номер по журналу)
Производительность Q *10-6
Вт
(ккал/час)
Температура нагреваемой воды при входе в подогреватель t2/ 0С
Температура сетевой воды при входе в водоводяной подогреватель t1/ °C
Давление сухого насыщенного водяного пара р ат
Толщина загрязнения dз мм
Коэфф теплопроводности загрязнения lз
/>
2
0.465 (0.4)
70
140
4.0
0.4
1.2
Задание
Произвести тепловой и конструктивный расчет отопительного пароводяного подогревателя горизонтального типа и секционного водоводяного подогревателя производительностью />. Температура нагреваемой воды при входе в подогреватель />и при выходе />. Температура сетевой воды при входе в водоводяной подогреватель />и при выходе />.
Прим. Влияние загрязнения поверхности нагрева подогревателя и снижение коэффициента теплопередачи при низких температурах воды учесть понижающим коэффициентом b=0,65.
Для расчета пароводяного подогревателя приняты следующие дополнительные данные: давление сухого насыщенного водяного пара />(/>); температура конденсата, выходящего из подогревателя, />, число ходов воды />; поверхность нагрева выполнена из латунных труб />) диаметрами />, />. Загрязнение поверхности учесть дополнительным тепловым сопротивлением />. (в примере расчета dз/lз= 0,00015 м2 • ч • град/ккал 0.000129 м2 •град/Вт).
В обоих вариантах скорость воды />(в трубках) принять по возможности близкой к 0,9 м/с.
Для упрощения расчета принять />.
На основе расчетов выбрать аппараты, выпускаемые серийно, и сделать сопоставление полученных результатов.
1. Расчет пароводяного подогревателя
Расход воды определяем по формуле:
/>
где теплоемкость воды «с» по справочнику или упрощенно
/>,
(/>).
или V= 16 м3/час.
Число трубок в одном ходе
--PAGE_BREAK--
/>
где />— внутренний диаметр теплообменных труб.
и всего в корпусе
/>
/>
Рис. 1.Размещение трубок в трубной решетке трубчатого подогревателя.
а – по вершинам равносторонних треугольников;
б – по концентрическим окружностям.
Принимая шаг трубок />, угол между осями трубной системы />и коэффициент использования трубной решетки />, определяем диаметр корпуса:
/>
Определяем также диаметр корпуса по табл. 1–35 и рис. 1 при ромбическом размещении трубок.
Для числа трубок />находим в табл. 1-35 значение />и, следовательно, />.
Диаметр корпуса составит (рис 1):
/>
где dН – наружный диаметр трубки,
k– «зазор» между периферийной трубкой и диаметром корпуса (рис. 1) />.
Принимаем для корпуса подогревателя трубу диаметром мм.
Приведенное число трубок в вертикальном ряду:
/>
Определяем коэффициент теплоотдачи />от пара к стенке. Температурный напор:
/>
Средние температуры воды и стенки (для стенки значение температуры ориентировочное, впоследствии она будет пересчитана и уточнена при необходимости):
/>
/>
Режим течения пленки конденсата определяем по приведенной длине трубки (критерий Григулля) для горизонтального подогревателя, равной:
/>
где m— приведенное число трубок в вертикальном ряду, шт.; />— наружный диаметр трубок, м;
/>
/>/>— температурный множитель, значение которого выбирается по таблице значения температурных множителей в формулах для определения коэффициентов теплоотдачи.
При />имеем />, тогда
/>,7
что меньше величины Lкр=3900 (для горизонтальных труб), следовательно, режим течения пленки ламинарный.
Для этого режима коэффициент теплоотдачи от пара к стенке на горизонтальных трубках может быть определен по преобразованной формуле Д. А. Лабунцова:
/>.
При />по таблице находим множитель />тогда
/>
Определяем коэффициент теплоотдачи от стенки к воде. Режим течения воды в трубках турбулентный, так как Reдля ламинарного потока должен быть ≤ 2300.
/> продолжение
--PAGE_BREAK--
где коэффициент кинематической вязкости воды (по справочнику, табл. стр.44)
/>, при средней температуре воды t=83,4° С.
Коэффициент теплоотдачи три турбулентном движении воды внутри трубок
/>
где множитель />при t=83,4° С по таблице; в данном случае />
Расчетный коэффициент теплопередачи (с учетом дополнительного теплового сопротивления dз/lз) определяем по формуле для плоской стенки />, так как ее толщина меньше 2,5 мм:
/>
Уточненное значение температуры стенки трубок
/>
Поскольку уточненное значение tст мало отличается от принятого для предварительного расчета, то пересчета величины aп не производим (в0 противном случае если отличие в данных температурах более 3% необходимо производить пересчет методом последовательных приближений до достижения данной точности).
/>-уравнение теплопередачи через плоскую стенку, отсюдарасчетная поверхность нагрева:
/>
Q— производительность, Вт;К — коэффицент теплопередачи, />;
Δt– температурный напор, ˚С;
Ориентируясь на полученную величину поверхности нагрева и на заданный в условии диаметр латунных трубок d=14/16 мм, выбираем пароводяной подогреватель горизонтального типа конструкции Я. С. Лаздана (рис. 1-24, табл. 1-23а) с поверхностью нагрева F=2,58 м2, площадью проходного сечения по воде (при z=2) fT=0,0132 м2, количеством и длиной трубок />, числом рядов трубок по вертикали m= 8. Основные размеры подогревателя приведены в табл. 1-23 б.
Уточним скорость течения воды />в трубках подогревателя:
/>
Поскольку активная длина трубок l=1600 мм, длина хода воды
/>
Определяем гидравлические потери в подогревателе. Коэффициент гидравлического трения при различных режимах течения жидкости и различной шероховатости стенок трубок можно подсчитать по формуле А. Д. Альтшуля:
/>
где k1 — приведенная линейная шероховатость, зависящая от высоты выступов, их формы и частоты.
Принимая k1=0 (для чистых латунных трубок), формулу можно представить в более удобном для расчетов виде (для гидравлически гладких труб):
/>
Уточняем критерий Рейнольдса Re:
/>
Значения lT=f(Re) для гидравлически гладких труб найдем, используя табл. 1–2, по известной величине Reнаходим />.
Потерю давления в подогревателе определяем с учетом дополнительных потерь от шероховатости в результате загрязнений латунных труб Хст=1,3, а по табл. 1–4 коэффициенты местных сопротивлений имеют следующие значения:
x * n (кол-во гидро сопротивлений см. чертеж)
Вход в камеру
/>
Вход в трубки
/>
Выход из трубок
/> продолжение
--PAGE_BREAK--
Поворот на 180°
/>
Выход из камеры
/>
Итого Sx
9,5
Потеря давления в подогревателе (при условии />)
/>
Гидравлическое сопротивление пароводяных подогревателей по межтрубному пространству, как правило, не определяется, так как его величина вследствие небольших скоростей пара (до 10 м/сек) очень мала.
2. Расчет секционного водоводяного подогревателя
Температура сетевой воды при входе в водоводяной подогреватель />, />, коэффициент теплопроводности стали />, />).
Расходы сетевой воды в трубках и воды, нагреваемой в межтрубном пространстве:
/>
где теплоемкость воды
/>, (/>), />,
/>
/>,
Площадь проходного сечения трубок (при заданной в условии расчета скорости течения воды в трубках />):
/>
Выбираем подогреватель по МВН-2050-29(рис. 1-25. Согласно таблице 1-24а он имеет: наружный диаметр корпуса 168 мм и внутренний — 158 мм, число стальных трубок (размером 16х14 мм (т.е. dH=16 мм dB=14)) n=37 шт., площадь проходного сечения трубок fт =0,00507м2, площадь проходного сечения межтрубного пространства fмт =0,0122 м2.
Скорость воды в трубках и в межтрубном пространстве:
/>=6,7/(3600*0.00507)=0.37 м/с.
/>=16/(3600*0.0122)=0.37 м/с.
Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства
/>= />
Средняя температура воды в трубках и между трубками:/>
При этой температуре температурный множитель, необходимый для дальнейших расчетов (по таблице 1-1 A5T»2960);
/>
(А5МТ »2650).
Режим течения воды в трубках (при t1 = 110 0C, nT= 0,357*10-6 м2/с) и межтрубном пространстве (при t= 82,50C, nМТ = 0,271*10-6 м2/с) турбулентный, так как
/>= />
/>= />
Коэффициенты теплоотдачи (для турбулентного режима течения воды)
/>
/> продолжение
--PAGE_BREAK--
Расчетный коэффициент теплопередачи (коэффициент теплопроводности стали l=39 ккал/м ч град) определяем по формуле для плоской стенки, так как ее толщина меньше 2,5 мм:
/>
Температурный напор:
/>/>/>C
Поверхность нагрева подогревателя:
/>= />,
Длина хода по трубкам при среднем диаметре трубок d= 0,5(dH+dB); d= 0,5∙(0,016+0,014) =0,015 м
/>=/>
Число секций (при длине одной секции lТ= 2 м)
Z=LT/ lT=11,6 / 2 = 5,8секций; принимаем 6 секций.
Уточненная поверхность нагрева подогревателя согласно технической характеристике выбранного нами аппарата составит: F/ = 3,38/>(табл. 1-24б)
F=F/ ∙Z=3,38*6 »20,28 м2.
Действительная длина хода воды в трубках и межтрубном пространстве LT=2*6=12м; LMT=3,5*6=21м (при подсчете LMTрасстояние между патрубками входа и выхода сетевой воды, равное 3,5 м, выбрано из конструктивных соображений).
Определяем гидравлические потери в подогревателе. Коэффициенты гидравлического трения для трубок и межтрубного пространства определяем по формуле Альтшуля.
k– коэффициент абсолютной шероховатости. Для бесшовных стальных труб изготовления высшего качества k=0,06÷0,3 мм. Выбираем k=0,3*10-3 мм:
/>;
/>— эквивалентный диаметр для межтрубного пространства.
/>
/>
Коэффициенты местных сопротивлений для потока воды в трубках, принимаем по таб.1-4.
x * n(кол-во данных сопротивлений см. чертеж)
Вход в трубки
1,5 * 6=9.0
Выход из трубок
1,5 * 6=9,0
Поворот в колене
0,5 * 5=2.5
Итого:
S =20,5
Суммарный коэффициент местных сопротивлений для потока воды в межтрубном пространстве определяется из выражения.
Отношение сечений входного и выходного патрубка
fмт/fпатр = 1.
/>=20,5*1*6=123. продолжение
--PAGE_BREAK--
Потери давления в подогревателе с учетом дополнительных потерь Хст от шероховатости (для загрязненных стальных труб по табл. 1-3 принимаем Хст =1,51):
/>=/>;3973 Па.
Потери в межтрубном пространстве подсчитываются по аналогичной формуле, но лишь в том случае, когда сумма значений коэффициентов местных сопротивлений Sxмт определена по указанной выше формуле, в противном случае расчет потерь Dpмт значительно усложняется.
Итак,
/>=/>
3. Расчетные данные пароводяного и секционного водоводяного теплообменников
Тип теплообменника
Коэффициент теплопередачи K, />,
/>
Температурный напорDt, °С
Поверхность нагрева
F, м2
Диаметр корпуса
D, м
Длина корпуса
L,м
Гидравлическое сопротивление Dp,
м вод. ст.
Па
Число ходов Z
Пароводяной
3304/>
59,5
2,03
0,254
3,2
0,122 (1197)
2
Секционный водоводяной
849/>
23,3
20,2
0,168
2,04
0,405 (3973)
6
Вывод
Сравнение показывает, что для данных условий пароводяной теплообменник имеет те преимущества, что он более компактен и гидравлическое сопротивление его меньше.
4. Учебно-исследовательский раздел
1. Какой вид теплопередачи протекает в т.о. аппаратах.
Конвекция — явление переноса теплоты в слоях жидкостях или газах при их перемешивании. Различают свободную и вынужденную конвекцию.
В нашем случае, конвекция является вынужденной.
Вынужденная конвекция — перемешивание жидкости происходит с помощью каких-либо внешних устройств.
2.Есть или нет фазовый переход.
Фазовый переход — переход вещества из одной термодинамической фазы в другую при изменении внешних условий (температура, давление)
Так как предпочтительный т.о. аппарат у нас пароводяной, то фазовый переход есть.
3.Режим течения жидкости.
Различают ламинарный и турбулентный режимы течения жидкости. В нашем случае, это турбулентный режим т.к Re>2300.
4. Стенка внутри и снаружи: прямая, гладкая.
Уравнения для расчета:
/>— ур-е теплоотдачи.
/>— ур-е теплопроводности через плоскую стенку
/>-ур-е теплопередачи через плоскую стенку
/>-коэффициент теплопередачи.
/>;
/>
Согласно исходным данным:
F= 2,58м2 — поверхностью нагрева;
∆t= 59,50С — температурный напор;
/>
/>
/>(/>)
/>(/>)
/>(/>) продолжение
--PAGE_BREAK--
/>(/>)
/>(/>)
/>(/>)
/>(/>)
/>(/>)
/>(/>)
/>(/>)
/>(/>)
/>(мм)
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
0,1
0,12
0,14
0,16
0,18
0,2
Q(М/>)
5,84
4,39
3,9
2,4
1,7
0,75
0,12
0,1
0,09
0,08
0,072
Строим график зависимости />:
5.Подбор критериальных уравнений для имеющих место случаев теплообмена т.о. аппаратах. Определение коэффициентов теплоотдачи и теплопередачи
Критерий Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи), характеризует теплообмен между поверхностью стенки и жидкостью (газом).
/>;
d— диаметр;
α- коэф. конвективной теплоотдачи, Вт/(м2*K).
Критерий Прандтля (критерий физических свойств жидкости) –характеризует физические свойства жидкости и способность распространения теплоты в жидкости. Для газов Pr=0,6 – 1,0 и зависит только от атомности, жидкости Pr= 1-2500, для жидких металлов Pr=0,005-0,05.
/>;
v– коэффициент кинематической вязкости среды.
При вынужденной конвекции и турбулентном режиме течения жидкости.
Пароводяной т.о. аппарат:
внутри трубок:
/>;
/>;
По справочнику «справочник по теплопередачи» (стр.268 табл.XXXIX. [2]) выбираем число/>при соответствующих температурах.
/>Prст =1,55 при tст=113˚C;
/>;
снаружи трубок:
/>,
/>/>
/>при tст = 113/> продолжение
--PAGE_BREAK--
/>;
Найдем α.
/>
/>
/>/>
Водоводяной т.о. аппарат:
внутри трубок/>
/>;
По справочнику «справочник по теплопередачи» выбираем число/>при соответствующих температурах.
/>
/>
/>,
2. снаружи трубок
/>,
/>
/>
/>;
Найдем α.
/>;
/>
/>
/>
Результаты расчетов:
Коэффициент теплоотдачи α/>,
Курсовая работа, (отраслевой расчет)
По критериальным уравнениям
Пароводяной т.о. аппарат
/>
5495
7794
/>
6250
4640
К
3304
1560
Водоводяной т.о. аппарат
/>
2597
6488
/>
2900
2527
К
849
1692
Список литературы
Лебедев П.Д., Щукин А.А. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. (Курсовое проектирование). / Учеб. пособие для энергетических вузов и факультетов. – М.: Энергия, 1970 – 408 с.;
Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. – М.: Госэнергоиздат, 1958 – 418 с.