2 Тепловий розрахунок експерементальної установки

2.1 Розрахунок теплового балансу

Для розрахунку теплового балансу скористаємося спрощеною схемою установки (рисунок 2.1):

НЦ – насос центральний, ТУ – теплообмінник – утилізатор

ТХ – теплообмінник – холодильник, ДЕ – досвідчений елемент

ЕН – електронагрівач

Рисунок 2.1 – Теплова схема експериментальної установки

Складемо тепловий баланс:

де - тепловий потік циркуляційного насоса, 0, тоді ;

- один тепловий потік, який, рідина отримує і рідина віддає;

- тепловий потік електронагрівача;

- тепловий потік холодильника;

- тепловий потік втрат тепла.

Таким чином тепловий баланс матиме вигляд:

Визначення витрати теплоносія в досвідченому елементі:

де - масова швидкість ;

- площа перетину ДЕ в робочій ділянці ;

- витрата теплоносія .

де - діаметр досвідченого елементу.

Визначення параметрів теплоносіїв на вході і виході з дослідного елемента. По заданих в завданні температурі і тиску знаходимо ентальпію:

Приймемо , тоді при цих параметрах шукаємо ентальпію:

,

Вибір потужності електронагрівача:

Потужність електронагрівача:

Визначення теплового потоку від ДЕ до потоку середовища:

,

Визначення температури на вході і виході з електронагрівача:

Визначення температур на вході і на виході з теплообмінника – утилізатора:

Визначення температур теплоносія на вході і виході з робочої ділянки:

Визначення температур теплоносія на вході і виході з теплообменника- утилізатора:

Визначення температур теплоносія на вході і виході з теплообмінника-холодильника по контуру первинного теплоносія

Результати розрахунків температур в циркуляційному контурі установки представляють на графіку (рис 2.2).

Рисунок 2.2 – Графічний розподіл температур по циркуляційному контуру

2.2 Розрахунок теплообмінника-утилізатора

Вибір швидкостей середовищ і діаметрів труб в теплообміннику-утилізаторі:

Матеріал трубопроводів вибираємо однаковим – сталь 12Х18Н9Т.

Схематичне зображення теплообмінника – утилізатора (рисунок 2.3 ):

Рисунок 2.3 – Перетин каналу теплообмінника типу труба в трубі

Задаємо значення швидкості теплоносія в трубопроводі циркуляційного контуру таким, щоб забезпечити близький до оптимального діаметр трубопроводу , .

З конструктивних міркувань вибираємо .

Знаючи внутрішній діаметр уточняємо масову швидкість теплоносія

Розрахуємо товщину стінки цього трубопроводу. З огляду на технологічні вимоги можна прийняти

Розрахуємо внутрішній діаметр трубопроводу після НЦ:

З конструктивних міркувань вибираємо .

Знаючи внутрішній діаметр зовнішнього каналу уточняємо масову швидкість теплоносія

Розрахуємо товщину стінки трубопроводу використовуючи розрахунок на міцність:

Задаємось коефіцієнтом міцності , а технологічну поправку приймаємо рівну тоді товщина стінки в першому наближеному розрахунку буде

Так як А>1, то

Тоді:

З конструктивних міркувань вибираємо .

Визначення поверхні теплообміну в теплообміннику-утилізаторі:

Знайдемо середній температурний напір за формулою

Визначальні температури:

Розрахуємо коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія в трубопроводі до стінки теплообмінника-утилізатора:

Відповідно число Нусельта знаходиться

Коефіцієнт тепловіддачі відповідно буде

Зробимо аналогічний розрахунок для кільцевого каналу

Коефіцієнт тепловіддачі відповідно буде

Визначимо коефіцієнти теплопередачі:

Аналогічно:

Визначаємо довжини труб контурів:

Кількість ходів рівна n=1.

Для визначення повної довжини теплообмінника-утилізатора потрібно зробити попередній розрахунок на міцність торцевого денця. Товщина стінки плоского днища (кришки) повинна прийматися не менш розрахункової товщини

К=0,6 – коефіцієнт форми для плоского днища.

К₀ – коефіцієнт, що враховує наявність отворів

Так як тоді К₀=0,85.

Величина напруження для днищ і кришок

Тоді товщина стінки плоского днища

Визначимо повну довжину труб теплообмінника-утилізатора схема зображена на рис.2.4

Рисунок 2.4 – Для визначення довжини труб теплообмінника

Приймаємо:

Тоді довжина буде

2.3 Розрахунок теплообмінника-холодильника

Вибір швидкостей середовищ і діаметрів труб в теплообміннику-холодильнику:

Матеріал трубопроводу з первинним теплоносієм – сталь 12Х18Н9Т, матеріал контура з вторинним теплоносієм (водою, що охолоджує) - сталь 22К.

Схематично ТХ показаний на рисунок 2.5 :

Рисунок 2.5 – Схема теплообмінника- холодильника.

Температура теплоносія на вході і виході з теплообмінника – холодильника по контуру первинного теплоносія:

Задаємося параметрами охолоджуючого теплоносія:

Відповідно витрата холодної води будуть:

Знайдемо діаметри теплообмінника- холодильника.

Приймаємо

Розрахуємо товщину стінки цього трубопроводу. З огляду на технологічні вимоги можна прийняти

Розрахуємо внутрішній діаметр кільцевого проходу:

Приймаємо

Розрахуємо товщину стінки трубопроводу використовуючи розрахунок на міцність:

Задаємось коефіцієнтом міцності , а технологічну поправку приймаємо рівну тоді товщина стінки в першому наближеному розрахунку буде

Так як А>1, то

Тоді:

Відповідно до сортаменту

Визначення поверхні теплообміну в теплообміннику-холодильнику:

Проміжна температура визначається з формули:

Знайдемо середній температурний напір за формулою

На ділянці з конденсацією

На ділянці з конвекцією

Розрахуємо коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія в трубі, до стінки теплообмінника-утилізатора, де має місце лише коніекція:

Визначальні температури:

Відповідно число Нусельта знаходиться

Коефіцієнт тепловіддачі відповідно буде

Зробимо аналогічний розрахунок для кільцевого каналу

Коефіцієнт тепловіддачі відповідно буде

Розрахуємо коефіцієнт тепловіддачі від теплоносія в трубі, до стінки теплообмінника-утилізатора, де має місце конденсація:

Відповідно число Нусельта знаходиться

Визначальні температури:

Зробимо аналогічний розрахунок для кільцевого каналу

Коефіцієнт тепловіддачі відповідно буде

Визначимо коефіцієнти теплопередачі:

Аналогічно:

Визначемо площу теплообміну на ділянці з конденсацією

Визначемо площу теплообміну на ділянці, де лише конвекція

Тоді сумарна площа поверхні теплообміну

Визначаємо довжини труб:

Хай , тоді кількість ходів рівна:

Для визначення повної довжини теплообмінника-холодильника потрібно зробити попередній розрахунок на міцність торцевого денця. Товщина стінки плоского днища (кришки) повинна прийматися не менш розрахункової товщини

К=0,6 – коефіцієнт форми для плоского днища.

К₀ – коефіцієнт, що враховує наявність отворів

Так як тоді К₀=0,57.

Величина напруження для днищ і кришок

Тоді товщина стінки плоского днища

Визначимо повну довжину труб теплообмінника-холодильника:

Приймаємо:

Тоді довжина буде

4. Розрахунок електронагрівача

Щільність теплового потоку, відповідна початку кипіння:

де - коэф. гідравлічного опору для води при температурі насичення

де - число Рейнольдса при температурі насичення

тоді:

Всі наступні параметри знаходимо при температурі насичення

Тоді щільність теплового потоку

Визначимо довжину електронагрівача:

Визначаємо електричний опір нагрівача, приймаємо , тоді

Сила струму, яку споживає електронагрівач

.

Напруга на електронагрівачі:

.

Джерелом живлення електронагрівача вибираємо випрямляч для дугового зварювання ВР-1000

Розрахуємо довжину труби електронагрівача рис. 2.6

Рисунок 2.6 – Cхема електронагрівача

Приймаємо товщину клеми , і відстань , тоді повна довжина труби електронагрівача буде

.