- •Оглавление
- •2. Цель курсовой работы
- •3. Требования к содержанию и оформлению пояснительной записки
- •4. Исходные данные к курсовым работам
- •Волжский государственный инженерно-педагогический университет Автомобильный институт
- •Волжский государственный инженерно-педагогический университет Автомобильный институт
- •Волжский государственный инженерно-педагогический университет Автомобильный институт
- •Волжский государственный инженерно-педагогический университет Автомобильный институт
- •5. Основы инженерных тепловых и компоновочных расчётов теплообменных аппаратов
- •6. Заключение
- •7. Приложения
- •7.1. Примеры тепловых и компоновочных расчётов теплообменных аппаратов
- •7.1.1. Курсовая работа №1
- •3.Исходя из заданной скорости движения воды в трубках, определим количество трубок в одном ходе и в целом в теплообменнике.
- •6.1. Среднелогарифмический температурный напор от конденсата к нагреваемой воде
- •6.2.Cредняя температура воды
- •3. Средняя температура стенки
- •6.4.Режим течения пленки конденсата определяется по приведенной (к вертикальной) длине трубки [1].
- •8. Рассчитываем коэффициент теплопередачи от пара к воде, как при теплопередаче через плоскую стенку (т.К. Толщина стенки трубки мала по сравнению с её радиусом ).
- •9. Уточненное значение температуры стенок трубок
- •10. Определяем необходимую поверхность теплообмена.
- •7.1.2. Курсовая работа №2
- •1.1. Массовый и объёмный расходы воды в трубках
- •3. Скорость воды:
- •4. Средние температуры воды:
- •5. Определение режимов течения воды в трубках и в межтрубном пространстве .
- •6. Определение коэффициентов теплоотдачи при течении воды в трубках и в межтрубном пространстве.
- •10.Необходимая длина трубок по ходу движения греющей воды
- •7.1.3. Курсовая работа №3 Тепловой расчёт кожухотрубчатого теплообменника
- •2.2. Расчет коэффициента теплоотдачи от бензола к трубкам.
- •3.1. Коэффициент теплоотдачи конденсирующегося бензола.
- •7.1.4. Курсовая работа №4 Тепловой и компоновочный расчёты спирального теплообменника
- •2.2. Определим коэффициент теплопередачи.
- •2.2.1. Гидравлический диаметр каналов для движения воды и бензола
- •3.1. Геометрический и компоновочный расчет матрицы спирального теплообменника.
- •3.1.2. Определим количество витков внутренней спирали - n1
- •7.2. Справочные материалы
- •Расчётные характеристики горизонтальных пароводяных подогревателей конструкции я.С Лаздана [Рис. 1]
- •Международная система единиц (си)
- •Соотношения между единицами измерения системы мкгсс и международной системы единиц (си)
- •8. Список рекомендуемой литературы
7.1.3. Курсовая работа №3 Тепловой расчёт кожухотрубчатого теплообменника
Задание. Произвести тепловой расчет вертикального кожухотрубчатого теплообменника для конденсации насыщенного пара бензола с расходом Gб=1000кг/час при атмосферном давлении.
Жидкий бензол отводится при температуре конденсации насыщенных паров. Охлаждающий агент - вода с начальной температурой – tв1=220С и конечной –tв11=320C. Термическое сопротивление поверхности теплообмена со стороны бензола – 0,0001м2час*К/ккал, а со стороны воды - 0,0007м2*час*К/ккал. Бензол в кожухотрубчатом теплообменнике конденсируется в межтрубном пространстве. Стальные трубки теплообменника имеют наружный диаметр dн=25мм и внутренний –dвн=21мм. Температура кипения бензола при атмосферном давлении tк=80,10С, а скрытая теплота парообразования бензола – r=94,5ккал/кг.
Решение.
1. Определяем основные параметры кожухотрубчатого теплообменника.
Больший температурный напор ∆tб = tк - tв1 = 80,1-22 = 58,10С
Меньший температурный напор ∆tм = tк - tв11 = 80,1-32 = 48,10С
Среднелогарифмический напор
∆t=(∆tб - ∆tм)/ℓn(∆tб/∆tм) = (58,1-48,1)/ℓп(58,1/48,1)=52,90С
Средняя температура охлаждающей воды
tв = tк - ∆t=80,1 - 52,9 = 27,20С
Тепловая нагрузка (теплопроизводительность)
Q=Gбr =1000*94,5=94500ккал/час=94500*427*9,81/3600 = 109958Вт ≈ 110кВт
Здесь:
r = 94,5ккал/кг - скрытая теплота парообразования бензола при атмосферном давлении;
Gб = 1000кг/час – массовый расход бензола (задано).
Массовый расход охлаждающей воды
Gв =Q/cр(tв11-tв1) =94500/(1*(32-22)) = 9450кг/час.
Здесь ср= 1ккал/кг*К – теплоёмкость воды при средней температуре tв=27,20С.
2. Тепловой расчет кожухотрубчатого теплообменника.
2.1. Выбор типа теплообменника.
Из всех приведенных в таблице №7 (Приложение) четырехходовых теплообменников (рис.4, Приложение) наименьшее количество трубок имеет один теплообменник, у которого общее число трубок равно n=100 и, следовательно, число трубок в одном ходе равно 25.
Выбираем для расчета именно такой теплообменник, т.к. у него наибольшая скорость воды в трубках, наибольшее число Рейнольдса и, следовательно, наибольший коэффициент теплоотдачи к воде.
Диаметр корпуса этого теплообменника равен D=400мм.
2.2. Расчет коэффициента теплоотдачи от бензола к трубкам.
Для проведения теплового расчета необходимо рассчитать коэффициент теплоотдачи при конденсации паров бензола на вертикальных трубках. Это можно сделать по зависимости [1]
альфак = 1,154√r*ρ2λ33600/(μ∆tбН),
где:
r = 94,5ккал/кг – скрытая теплота парообразования бензола при атмосферном давлении;
ρ – плотность бензола при средней температуре пленки бензола;
λ – коэффициент теплопроводности бензола при средней температуре пленки;
μ – динамический коэффициент вязкости бензола при средней температуре пленки;
tбср = (tк + tст.1)/2 – средняя температура пленки бензола.
∆tб = tк-tст.1-температурный напор между конденсирующимся паром бензола и наружной поверхностью стенки трубки tст.1;
Н - высота трубок (Н=1000мм, таблица №7).
Видно, что для расчета коэффициента теплоотдачи необходимо определить температуру стенки tст.1.. Поэтому, расчет проводим последовательными приближениями, задаваясь значениями tст.1.
Проведем два расчета:
Первый – при tст.11 = 600С;
Второй – при tст.111 = 500С
Тогда в первом расчете
∆t1 = tк-tст.11 = 80,1-60 = 20,10С
и во втором
∆t11 = tк-tст.111 = 80,1 -50=30,10С
В этих зависимостях верхние индексы обозначают номер расчёта.
Физические параметры бензола в первом и втором расчетах приведены в таблице №8, Приложение №2:
Параметр бензола |
Первый расчет |
Второй расчет |
Средняя температура пленки бензола t = (tк+tст.1)
|
(80,1+60)/2 ≈ 700C |
(80,1+60)/2 ≈ 700C |
Плотность пленки бензола |
825кг/м3 |
829кг/м3 |
Коэффициент теплопроводности пленки бензола
|
0,114ккал/м*час*К |
0,115ккал/м*час*К |
Динамический коэффициент вязкости пленки бензола
|
0,354сП (сантипуаз) |
0,372сП (сантипуаз) |
1сП=1,02*10-4кг*с/м2технической системы единиц [3] |
Коэффициент теплоотдачи от конденсирующихся паров бензола
В первом расчете (при tст.11 = 600С)
альфак1 = 1,154√(94,5*8252*0,1143*3600)/(0,354*1,02*10-4*20,1*1) = 953,5ккал/м2.часК
Во втором расчете (при tст.111 = 500С)
альфак11= 1,154√(94,5*8292*0,1153*3600)/(0,372*1,02*10-4*30,1*1) =
= 859ккал/м2.часК
2.3. Расчет коэффициента теплоотдачи от воды к стенке трубки.
Предварительно определяем режим течения воды в трубках.
Число Рейнольдса
Re= Wвdвн/ν,
где:
Wв– скорость воды в трубках;
dвн – внутренний диаметр трубок;
ν = 0,845*10-6м2./с кинематический коэффициент вязкости воды при средней температуре 27,20С (таблица №1, Приложение).
Wв=Gв/(n*(πd2вн/4)ρ)=4*9450/(25π0,0212*1000*3600) = 0,303м/c,
где:
n = 25 – число трубок в одном ходе теплообменника;
ρ = 1000кг/м3 - плотность воды;
dвн = 0,021м - внутренний диаметр трубок.
Тогда, число Рейнольдса равно
Re=Wвdвн/ν=0,303*0,021/0,845*10-6=7530
Режим течения воды турбулентный и поэтому коэффициент теплоотдачи от воды можно определить по зависимости [4]
Nu=0,021 Re0,8*Рr0,43(Рr/Рrст)0,25
или же по видоизменённой упрощенной зависимости, позволяющей произвести расчет коэффициента теплоотдачи от воды по зависимости [1]
альфав= А5W0,8в/dвн0,2.
В этих зависимостях
альфав – коэффициент теплоотдачи от воды к трубке;
Nu=альфав dвн/λ- критерий Нуссельта;
Рr= μcр/λ - критерий Прандтля (учитывает физические свойства теплоносителя) при средней температуре теплоносителя;
Рrст - критерий Прандтля при температуре теплоносителя равной температуре стенки ;
-λ - коэффициент теплопроводности воды;
ρ - плотность воды;
ср - теплоёмкость воды.
Физические параметры теплоносителя –воды берутся при его средней температуре –tв = 27,20С
А5 = 1863(таблица№3, Приложение).
Тогда, коэффициент теплоотдачи от воды к трубке
альфав= А5W0,8в/dвн0,2. = 1863*0,3030,8/0,0210,2 =
=1552ккал/м2часК = 1806Вт/м2К
2.4.Учтем в расчете также и термическое сопротивление стенки трубок, а также термическое сопротивление загрязнений со стороны бензола и со стороны воды.
R= Rзагр.б+Rст+Rзагр.в.
Термическое сопротивление стальной трубки толщиной 2мм при коэффициенте теплопроводности стали λ = 40ккал/м*час*К равно:
Rст= δ/ λ=0,002/40 = 0,00005м2.часК/ккал,
а сумма термических сопротивлений загрязнений со стороны бензола, со стороны воды и термосопротивления стенки равна
R=Rзагр.б+Rст+Rзагр.в.=0,0001+0,00005+0,0007=0,00085м2часК/ккал
2.6. Рассчитаем удельные тепловые потоки от бензола к стенке со стороны бензола и от стенки трубки со стороны бензола к воде в обоих вариантах расчета кожухотрубчатого теплообменника.
q1=альфак*(tк-tcт.1) – мощность удельного теплового потока от бензола к стенке трубки.
В первом расчёте
q11 = 953,5*(80,1-60) = 953,*20,1 = 19165ккал/м2час
Во втором расчёте
q111=859*(80,1-50) = 25856ккал/м2час
q21= (tcт.1—tв)/(R + 1/альфав) – мощность удельного теплового потока от стенки трубки к воде. В этом уравнении (R + 1/альфав) = 0,001494м2часК/ккал – термическое сопротивление от наружной стенки трубки к воде, движущейся внутри трубки.
В первом расчёте
q21 = (60-27,2)/(0,00085+1/1552) = 21954ккал/м2час
Во втором расчёте
q211 = (50-27,2)/(0,00085+1/1552) = 15261ккал/м2час
Итак, имеем
|
tст.1,0C |
q1, ккал/м2час |
q2, ккал/м2час |
Первый расчёт |
60 |
19165 |
21954 |
Второй расчёт |
50 |
25856 |
15261 |
Для обеспечения теплового баланса мощность удельного теплового потока от бензола должна быть равна мощности удельного теплового потока от трубки к воде.
Используем полученные расчетные данные для записи мощности удельных тепловых потоков в виде линейных зависимостей от температуры.
q1=а1+в1tст.1;
19165 = а1+в1*60 Из системы уравнений получим а1 = 59311; в1 = -669,1
25856 = а1+в1*50
q1 = 59311-669,1*tст1 – Уравнение для мощности удельного теплового потока от бензола (1)
q2= а2+в2*tст1;
21954=а2+в2*60 Из системы уравнений получим а2=18204; в2=669,3
15261=а2+в2*50
q2=-18204+669,3*tст.1 - Уравнение для мощности удельного теплового потока от стенки к воде (2)
Решаем совместно 1 и 2, полагая q1=q2, и получаем
59311-669,1tст.1=- 18204 +669,3tст.1
tст.1=57,90С
3. Проводим проверочный тепловой расчет кожухотрубчатого теплообменника при температуре наружной поверхности стенки трубки tст.1=57,90С