Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

Кафедра промышленной теплоэнергетики

Курсовой проект

«Расчет теплообменника и выбор термодинамически совершенной компоновки»

Вариант № 45-48

Выполнил: студент группы ТЭ-10-01 Садыкова Л.Р.

Проверил: доцент Китаев С.В.

Уфа 2012

Содержание

1. Задание…………………………………………………………………………3

2. Исходные данные……………………………………………………………...4

3. Расчёт водоводяного теплообменника……………………………………….5

4. Гидравлический расчёт теплообменного аппарата и расчёт мощности…..19

5. Расчёт эксергетического КПД………………………………………………..26

6. График зависимости эксергетического КПД от скорости греющего теплоносителя………………………………………………………………….32

7. Выводы и рекомендации………………………………….………...……...…33

8. Список использованной литературы…………………………………………34

Задание:

Выбрать термодинамически наиболее совершенную компоновку водоводяного теплообменника (охладителя конденсата) на основе теплового конструктивного, гидравлического расчетов и эксергетического анализа из 4...5 вариантов при заданных исходных дан­ных. По трубкам движется конденсат, в межтрубном пространстве - химически очищенная вода. Среднее давление конденсата и воды в теплообменнике принять равным 0,5 МПа.

Трубки расположены в зависимости от вариантов по углам шестиугольников или концентрическим окружностям с шагом раз­бивки S . Произвести гидромеханические и эксергетические расче­ты каждого варианта. Представить схему компоновки выбранного варианта в масштабе.

Значения температур теплоносителей, схему их движения и характеристику трубного пучка принять из табл. I и примечаний к ней в соответствии с выданным заданием.

1. Исходные данные

Вариант	Wк , м/с	Mв , кг/с	t’к , °C	t”к , °C	dн x δ , мм	S/ dн
45	1,3	220	150	130	28 x 2	1,5
46	2,0		130	110
47	3,0		120	100
48	4,0		120	100

Примечания:

1. Для всех вариантов t’_в =95 °C; t"_в = 105°С.

2. Расположение труб в трубной доске подогревателя по концентрическим окружностям (трубки стальные).

3. Коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду принять равным η=0,99.

Схема движения теплоносителей – противоток.

2. Расчёты

1. Расчёт водоводяного теплообменника

Расчет для варианта № 45:

Определим количество передаваемого тепла (теплопроизводительность аппарата) по уравнению теплового баланса:

Q_K ∙η_ТОА = Q_в

или

М_к∙с_pm^к(t’_к- t”_к) ∙η_ТОА= М_в∙ с_pm^в(t”_в- t’_в),

где Q_K, Q_B - тепловой поток отданный конденсатом и воспринятый водой

Определим средние температуры для определения средних теплоёмкостей для конденсата и воды:

t_ср^к= °С

t_ср^в= °С

	tср,°С	ρ,кг/м3	сp,кДж/кг∙град	λ∙102,Вт/м∙град	ν∙106,м2/с	Pr
Конденсат	140	926,1	4,287	68,5	0,217	1,26
Вода	100	958,4	4,22	68,3	0,295	1,75

Тогда

Q_B= М_в∙ с_pm^в(t”_в- t’_в)=220∙4,22∙10³∙ (105-95)=9284 .

Определяем массовый расход конденсата:

М_к=

Определяем общее число трубок подогревателя одного хода:

n₁= ,

где d_в= d_н-2δ=28-2∙2=24 мм

Т.к. при противотоке ТОА одноходовой, значит, общее число трубок будет равно:

n=n₁=201.

По таблице 2 приложения [1] изменим число трубок до ближайшего табличного значения, в зависимости от расположения труб в трубной доске.

Табличное значение n₁=223.

Найдем новое значение W_k:

W_k = м/с.

Определяем диаметр, на котором располагаются оси крайних трубок:

D’/S=16

где D’/S - определяем при стандартном n для заданного расположения трубок

по таблице 2 приложения [1];

S - шаг между трубками равен:

S = l,5∙d_H=1,5∙28=42 мм.

Тогда

D'=S(D’/S)=42∙16∙10^-3=0,672 м.

Определяем внутренний диаметр корпуса теплообменника:

D_в= D'+ d_H+2k=0,672+0,028+2∙0,006=0,712 м

где k - кольцевой зазор между крайними трубками и корпусом, который принимается из конструктивных соображений равным 0,006 м; d_H - наружный диаметр трубок.

Определяем скорость воды:

W_в=

где fв, — сечение для прохода воды, определяется как разность площади сечения аппарата и площади, занятой трубками для прохода конденсата:

f_B=f_a-Σf_тр=0,25∙π∙D_в² -n∙0,25∙π∙ d²_H=0,25∙3,14∙0,712²-223∙0,25∙3,14∙ 0,028²=0,261м²

Определяем коэффициенты теплоотдачи со стороны конденсата и со стороны воды.

Вычисляем числа Рейнольдса для конденсата и воды:

Re_к=

Re_в=

d_экв- эквивалентный диаметр ТОА, определяем по формуле:

d_экв =

где U - смоченный периметр, определяем по формуле:

U = π(D_B + n∙d_H)=3,14(0,712+223∙0,028)=21,842 м

Определяем числа Нуссельта для конденсата и воды по таблицам «Уравнение подобия для расчета среднего безразмерного коэффициента теплоотдачи»:

Nu_к=0,021∙Re_к^0,8∙Pr_к^0,43( ^0,25=0,021∙129400,922^0,8∙1,26^0,43( ^0,25=274,279

Nu_в=0,021∙Re_в^0,8∙Pr_в^0,43( ^0,25=0,021∙143023,729^0,8∙1,75^0,43( ^0,25=371,52

где Рr_к, Рr_в, Рr_с - числа Прандтля соответственно для конденсата, воды и среды при температуре жидкости и при температуре стенки (определяется как

средняя температура между средней температурой конденсата и средней температурой воды, т.е. при 120 °С), находим по таблице 1 приложения [1].

Коэффициенты теплоотдачи находим по формулам:

α_к=

α_в=

Коэффициент теплопередачи применительно к водоводяному теплообменнику рассчитываем по формуле:

k=

где δ_М=2∙10^-3 м,δ₃=0,3 мм - соответственно толщина трубки и слоя загрязнений (находим по таблице 2 [1]);

λ_М=58 Вт/м∙град,λ_з=2,3 Вт/м∙град - соответственно коэффициент теплопроводности металла и слоя загрязнения в случае применения химически очищенной воды (находим по таблице 2 [1]).

Распределение температур по длине ТОА.

Из рисунка видно:

Θ_б=150-105=45 °С

Θ_м=130-95=35 °С

Определяем средний температурный напор в аппарате:

Θ_m = °С

Определяем поверхность нагрева теплообменника:

F_вв=

Определяем длину трубного пучка:

l=

Исходя из полученных данных принимаем ТОА состоящий из N_сек=2.

Расчет для варианта № 46:

Определим количество передаваемого тепла (теплопроизводительность аппарата) по уравнению теплового баланса:

Q_K ∙η_ТОА = Q_в

или

М_к∙с_pm^к(t’_к- t”_к) ∙η_ТОА= М_в∙ с_pm^в(t”_в- t’_в),

где Q_K, Q_B - тепловой поток отданный конденсатом и воспринятый водой

Определим средние температуры для определения средних теплоёмкостей для конденсата и воды:

t_ср^к= °С

t_ср^в= °С

	tср,°С	ρ,кг/м3	сp,кДж/кг∙град	λ∙102,Вт/м∙град	ν∙106,м2/с	Pr
Конденсат	120	943,1	4,25	68,6	0,252	1,47
Вода	100	958,4	4,22	68,3	0,295	1,75

Тогда

Q_B= М_в∙ с_pm^в(t”_в- t’_в)=220∙4,22∙10³∙ (105-95)=9284 .

Определяем массовый расход конденсата:

М_к=

Определяем общее число трубок подогревателя одного хода:

n₁= ,

где d_в= d_н-2δ=28-2∙2=24 мм

Т.к. при противотоке ТОА одноходовой, значит, общее число трубок будет равно:

n=n₁=129.

По таблице 2 приложения [1] изменим число трубок до ближайшего табличного значения, в зависимости от расположения труб в трубной доске.

Табличное значение n₁=130.

Найдем новое значение W_k:

W_k = м/с.

Определяем диаметр, на котором располагаются оси крайних трубок:

D’/S=12

где D’/S - определяем при стандартном n для заданного расположения трубок

по таблице 2 приложения [1];

S - шаг между трубками равен:

S = l,5∙d_H=1,5∙28=42 мм.

Тогда

D'=S(D’/S)=42∙12∙10^-3=0,504 м.

Определяем внутренний диаметр корпуса теплообменника:

D_в= D'+ d_H+2k=0,504+0,028+2∙0,006=0,544 м

где k - кольцевой зазор между крайними трубками и корпусом, который принимается из конструктивных соображений равным 0,006 м; d_H - наружный диаметр трубок.

Определяем скорость воды:

W_в=

где fв, — сечение для прохода воды, определяется как разность площади сечения аппарата и площади, занятой трубками для прохода конденсата:

f_B=f_a-Σf_тр=0,25∙π∙D_в² -n∙0,25∙π∙ d_H=0,25∙3,14∙0,544²-130∙0,25∙3,14∙ 0,028²=0,152м²

Определяем коэффициенты теплоотдачи со стороны конденсата и со стороны воды.

Вычисляем числа Рейнольдса для конденсата и воды:

Re_к=

Re_в=

d_экв- эквивалентный диаметр ТОА, определяем по формуле:

d_экв =

где U - смоченный периметр, определяем по формуле:

U = π(D_B + n∙d_H)=3,14(0,544+130∙0,028)=13,138 м

Определяем числа Нуссельта для конденсата и воды по таблицам «Уравнение подобия для расчета среднего безразмерного коэффициента теплоотдачи»:

Nu_к=0,021∙Re_к^0,8∙Pr_к^0,43( ^0,25=0,021∙∙ ^0,8∙1,47^0,43( ^0,25=404,665

Nu_в=0,021∙Re_в^0,8∙Pr_в^0,43( ^0,25=0,021∙ ^0,8∙1,75^0,43( ^0,25=614,784

где Рr_к, Рr_в, Рr_с - числа Прандтля соответственно для конденсата, воды и среды при температуре жидкости и при температуре стенки (определяется как

средняя температура между средней температурой конденсата и средней температурой воды, т.е. при 110 °С), находим по таблице 1 приложения [1].

Коэффициенты теплоотдачи находим по формулам:

α_к=

α_в=

Коэффициент теплопередачи применительно к водоводяному теплообменнику рассчитываем по формуле:

k=

где δ_М=2∙10^-3 м,δ₃=0,3 мм - соответственно толщина трубки и слоя загрязнений (находим по таблице 2 [1]);

λ_М=58 Вт/м∙град,λ_з=2,3 Вт/м∙град - соответственно коэффициент теплопроводности металла и слоя загрязнения в случае применения химически очищенной воды (находим по таблице 2 [1]).

Распределение температур по длине ТОА.

Из рисунка видно:

Θ_б=130-105=25 °С

Θ_м=110-95=15 °С

Определяем средний температурный напор в аппарате:

Θ_m = °С

Определяем поверхность нагрева теплообменника:

F_вв=

Определяем длину трубного пучка:

l=

Исходя из полученных данных принимаем ТОА состоящий из N_сек=3.

Расчет для варианта № 47:

Определим количество передаваемого тепла (теплопроизводительность аппарата) по уравнению теплового баланса:

Q_K ∙η_ТОА = Q_в

или

М_к∙с_pm^к(t’_к- t”_к) ∙η_ТОА= М_в∙ с_pm^в(t”_в- t’_в),

где Q_K, Q_B - тепловой поток отданный конденсатом и воспринятый водой

Определим средние температуры для определения средних теплоёмкостей для конденсата и воды:

t_ср^к= °С

t_ср^в= °С

	tср,°С	ρ,кг/м3	сp,кДж/кг∙град	λ∙102,Вт/м∙град	ν∙106,м2/с	Pr
Конденсат	110	951,0	4,233	68,5	0,272	1,60
Вода	100	958,4	4,22	68,3	0,295	1,75

Тогда

Q_B= М_в∙ с_pm^в(t”_в- t’_в)=220∙4,22∙10³∙ (105-95)=9284 .

Определяем массовый расход конденсата:

М_к=

Определяем общее число трубок подогревателя одного хода:

n₁= ,

где d_в= d_н-2δ=28-2∙2=24 мм

Табличное значение n₁=86.

Т.к. при противотоке ТОА одноходовой, значит, общее число трубок будет равно:

n=n₁=86.

По таблице 2 приложения [1] изменим число трубок до ближайшего табличного значения, в зависимости от расположения труб в трубной доске.

n=n₁=86.

Определяем диаметр, на котором располагаются оси крайних трубок:

D’/S=10

где D’/S - определяем при стандартном n для заданного расположения трубок

по таблице 2 приложения [1];

S - шаг между трубками равен:

S = l,5∙d_H=1,5∙28=42 мм.

Тогда

D'=S(D’/S)=42∙10∙10^-3=0,42 м.

Определяем внутренний диаметр корпуса теплообменника:

D_в= D'+ d_H+2k=0,42+0,028+2∙0,006=0,46 м

где k - кольцевой зазор между крайними трубками и корпусом, который принимается из конструктивных соображений равным 0,006 м; d_H - наружный диаметр трубок.

Определяем скорость воды:

W_в=

где fв, — сечение для прохода воды, определяется как разность площади сечения аппарата и площади, занятой трубками для прохода конденсата:

f_B=f_a-Σf_тр=0,25∙π∙D_в² -n∙0,25∙π∙ d_H=0,25∙3,14∙0,46²-86∙0,25∙3,14∙ 0,028²=0,113м²

Определяем коэффициенты теплоотдачи со стороны конденсата и со стороны воды.

Вычисляем числа Рейнольдса для конденсата и воды:

Re_к=

Re_в=

d_экв- эквивалентный диаметр ТОА, определяем по формуле:

d_экв =

где U - смоченный периметр, определяем по формуле:

U = π(D_B + n∙d_H)=3,14(0,46+86∙0,028)=9,006м

Определяем числа Нуссельта для конденсата и воды по таблицам «Уравнение подобия для расчета среднего безразмерного коэффициента теплоотдачи»:

Nu_к=0,021∙Re_к^0,8∙Pr_к^0,43( ^0,25=0,021∙264705,882^0,8∙1,60^0,43( ^0,25=553,64

Nu_в=0,021∙Re_в^0,8∙Pr_в^0,43( ^0,25=0,021∙344237,288^0,8∙1,75^0,43( ^0,25=762,052

где Рr_к, Рr_в, Рr_с - числа Прандтля соответственно для конденсата, воды и среды при температуре жидкости и при температуре стенки (определяется как

средняя температура между средней температурой конденсата и средней температурой воды, т.е. при 105 °С), находим по таблице 1 приложения [1].

Коэффициенты теплоотдачи находим по формулам:

α_к=

α_в=

Коэффициент теплопередачи применительно к водоводяному теплообменнику рассчитываем по формуле:

k=

где δ_М=2∙10^-3 м,δ₃=0,3 мм - соответственно толщина трубки и слоя загрязнений (находим по таблице 2 [1]);

λ_М=58 Вт/м∙град,λ_з=2,3 Вт/м∙град - соответственно коэффициент теплопроводности металла и слоя загрязнения в случае применения химически очищенной воды (находим по таблице 2 [1]).

Распределение температур по длине ТОА.

Из рисунка видно:

Θ_б=120-105=15 °С

Θ_м=100-95=5 °С

Определяем средний температурный напор в аппарате:

Θ_m = °С

Определяем поверхность нагрева теплообменника:

F_вв=

Определяем длину трубного пучка:

l=

Исходя из полученных данных принимаем ТОА состоящий из N_сек=5.

Расчет для варианта № 48:

Определим количество передаваемого тепла (теплопроизводительность аппарата) по уравнению теплового баланса:

Q_K ∙η_ТОА = Q_в

или

М_к∙с_pm^к(t’_к- t”_к) ∙η_ТОА= М_в∙ с_pm^в(t”_в- t’_в),

где Q_K, Q_B - тепловой поток отданный конденсатом и воспринятый водой

Определим средние температуры для определения средних теплоёмкостей для конденсата и воды:

t_ср^к= °С

t_ср^в= °С

	tср,°С	ρ,кг/м3	сp,кДж/кг∙град	λ∙102,Вт/м∙град	ν∙106,м2/с	Pr
Конденсат	110	951,0	4,233	68,5	0,272	1,60
Вода	100	958,4	4,22	68,3	0,295	1,75

Тогда

Q_B= М_в∙ с_pm^в(t”_в- t’_в)=220∙4,22∙10³∙ (105-95)=9284 .

Определяем массовый расход конденсата:

М_к=

Определяем общее число трубок подогревателя одного хода:

n₁= ,

где d_в= d_н-2δ=28-2∙2=24 мм

Т.к. при противотоке ТОА одноходовой, значит, общее число трубок будет равно:

n=n₁=64.

По таблице 2 приложения [1] изменим число трубок до ближайшего табличного значения, в зависимости от расположения труб в трубной доске.

Табличное значение n₁=62.

Найдем новое значение W_k:

W_k = м/с.

Определяем диаметр, на котором располагаются оси крайних трубок:

D’/S=8

где D’/S - определяем при стандартном n для заданного расположения трубок

по таблице 2 приложения [1];

S - шаг между трубками равен:

S = l,5∙d_H=1,5∙28=42 мм.

Тогда

D'=S(D’/S)=42∙8∙10^-3=0,336 м.

Определяем внутренний диаметр корпуса теплообменника:

D_в= D'+ d_H+2k=0,336+0,028+2∙0,006=0,376 м

где k - кольцевой зазор между крайними трубками и корпусом, который принимается из конструктивных соображений равным 0,006 м; d_H - наружный диаметр трубок.

Определяем скорость воды:

W_в=

где fв, — сечение для прохода воды, определяется как разность площади сечения аппарата и площади, занятой трубками для прохода конденсата:

f_B=f_a-Σf_тр=0,25∙π∙D_в² -n∙0,25∙π∙ d_H=0,25∙3,14∙0,376²-61∙0,25∙3,14∙ 0,028²=0,073м²

Определяем коэффициенты теплоотдачи со стороны конденсата и со стороны воды.

Вычисляем числа Рейнольдса для конденсата и воды:

Re_к=

Re_в=

d_экв- эквивалентный диаметр ТОА, определяем по формуле:

d_экв =

где U - смоченный периметр, определяем по формуле:

U = π(D_B + n∙d_H)=3,14(0,376+62∙0,028)=6,632 м

Определяем числа Нуссельта для конденсата и воды по таблицам «Уравнение подобия для расчета среднего безразмерного коэффициента теплоотдачи»:

Nu_к=0,021∙Re_к^0,8∙Pr_к^0,43( ^0,25=0,021∙336617,647^0,8∙1,60^0,43( ^0,25=718,836

Nu_в=0,021∙Re_в^0,8∙Pr_в^0,43( ^0,25=0,021∙460084,746^0,8∙1,75^0,43( ^0,25=930

где Рr_к, Рr_в, Рr_с - числа Прандтля соответственно для конденсата, воды и среды при температуре жидкости и при температуре стенки (определяется как

средняя температура между средней температурой конденсата и средней температурой воды, т.е. при 105 °С), находим по таблице 1 приложения [1].

Коэффициенты теплоотдачи находим по формулам:

α_к=

α_в=

Коэффициент теплопередачи применительно к водоводяному теплообменнику рассчитываем по формуле:

k=

где δ_М=2∙10^-3 м,δ₃=0,3 мм - соответственно толщина трубки и слоя загрязнений (находим по таблице 2 [1]);

λ_М=58 Вт/м∙град,λ_з=2,3 Вт/м∙град - соответственно коэффициент теплопроводности металла и слоя загрязнения в случае применения химически очищенной воды (находим по таблице 2 [1]).

Рис.1 – Распределение температур по длине ТОА

Из рисунка видно:

Θ_б=120-105=15 °С

Θ_м=100-95=5 °С

Определяем средний температурный напор в аппарате:

Θ_m = °С

Определяем поверхность нагрева теплообменника:

F_вв=

Определяем длину трубного пучка:

l=

Исходя из полученных данных принимаем ТОА состоящий из N_сек=11.