Курсач / Доп материалы / Расчет скоростного теплообменника. Методические указания к курсовой работе

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

Кафедра Теплогазоснабжения и вентиляции

Методические указания к курсовой работе РАСЧЕТ СКОРОСТНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

Направление подготовки

270800 (08.03.01) «Строительство»

Профиль

Промышленное и гражданское строительство Классификация (степень) выпуска

БАКАЛАВР

Форма обучения очная

Казань, 2015 г.

1. Теплообменные аппараты. Определения

Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором одна жидкость - горячая среда, передает теплоту другой жидкости - холодной среде. В качестве теплоносителей в тепловых аппаратах используются разнообразные капельные и упругие жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур. По принципу работы аппараты делят на регенеративные, смесительные и рекуперативные. В регенеративных аппаратах горячий теплоноситель отдает свою теплоту аккумулирующему устройству, которое в свою очередь периодически отдает теплоту второй жидкости - холодному теплоносителю, т.е. одна и та же поверхность нагрева омывается то горячей, то холодной жидкостью.

В смесительных аппаратах передача теплоты от горячей к холодной жидкости происходит при непосредственном смешении обеих жидкостей.

Особенно широкое развитие во всех областях техники получили рекуперативные аппараты, в которых теплота от горячей жидкости к холодной передается через разделительную стенку. Такие теплообменные аппараты могут иметь самое разное название - паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, приборы центрального отопления и т.д. Их отличают друг от друга геометрические характеристики и применяемые в них рабочие тела.

2. Конструкции секционных теплообменников типа «труба в трубе»

Секционный теплообменник типа «труба в трубе» состоит из одной или нескольких теплопередающих труб, заключенных в общем корпусе (рис.1). Название "секционный" указывает на то, что из таких теплообменников, путем соединения их между собой, может быть набрана требуемая поверхность теплообмена.

Теплообменник снабжается патрубками для подвода и отвода теплоносителей. Один из них движется в полости внутренней трубы 2. Другой теплоноситель движется в кольцевом зазоре между внутренней 2 и наружной трубой 1. Внутренняя труба может иметь продольные ребра, приваренные к ней изнутри или снаружи (со стороны потока с меньшим коэффициентом теплоотдачи) для увеличения поверхности теплообмена.

Секции теплообменника по ходу движения теплоносителя могут быть соединены последовательно или параллельно. На рис. 1,б представлено последовательное соединение секций - как по ходу греющего, так и по ходу нагреваемого теплоносителей.

3

Преимуществами теплообменников типа «труба в трубе» являются высокие коэффициенты теплоотдачи, пригодность для paботы при высоком давлении теплоносителей, простота изготовления, монтажа и обслуживания. К недостаткам относятся: низкая компактность, высокая стоимость из-за большого расхода металла на наружные трубы, не участвующие в теплообмене, а также сложность очистки кольцевого пространства между трубами.

Теплообменники типа «труба в трубе» используются в основном для нагревания или охлаждения теплоносителя в тех случаях, когда требуются сравнительно небольшие поверхности теплообмена. Они также могут использоваться в процессах, сопровождающихся кипением или конденсацией теплоносителя.

Преимущество теплообменника типа «труба в трубе» также заключается в разнообразии компоновок, и, кроме того, они могут быть быстро собраны из стандартных элементов на месте монтажа. При необходимости, поверхность теплообмена может быть увеличена за счет установки дополнительных секций. Главными недостатками являются большой объем (габариты) и высокая стоимость установки в расчете на единицу поверхности теплообмена.

Определяемые расчетом размеры стандартных секционных теплообменников приведены на рис. 2, а их технические данные — в табл. П.5, П.6 и П.7 (см. Приложение). Общая компоновка секций, соединенных последовательно по ходу греющего и нагреваемого теплоносителя, ясна из рисунков П.1÷П.4. У теплообменников типа Р трубный пучок выполнен из трубок 16 1 (первое число – наружный диаметр трубки, второе – толщина стенки трубки). Поверхность теплообмена одной секции составляет 0,75÷30 м2, а число труб в секции от 4 до 140. Длина трубного пучка в секции стандартного теплообменника обычно составляет 2 или 4 м.

3. Тепловой расчет рекуперативного теплообменника «труба в трубе»

Несмотря на большое разнообразие теплообменных аппаратов, основные положения теплового расчета для них остаются общими [1÷3].

Расчеты теплообменных аппаратов могут быть конструкторскими и поверочными. Конструкторские тепловые расчеты выполняются при проектировании новых аппаратов для определения поверхности теплообмена. Поверочные расчеты выполняются в том случае, когда для конкретного теплообменника необходимо найти количество передаваемой теплоты и конечные температуры теплоносителей.

Тепловой расчет теплообменных аппаратов сводится к совместному ре-

шению уравнений теплового баланса и теплопередачи. Обычно рассматри-

ваются стационарные режимы работы теплообменников.

Конструкторский тепловой расчет.

Основными расчетными уравнениями являются: - уравнение теплопередачи

4

где k - коэффициент теплопередачи, F - поверхность теплообмена в аппарате; t1 и t2 - соответственно температуры горячего и холодного теплоносителей;

- уравнение теплового баланса

В этом уравнении (как и в дальнейшем) индекс «1» обозначает, что данная величина относится к нагревающей (горячей) жидкости, а индекс «2» - к холодной (нагреваемой). Индекс «'» соответствует теплоносителю на входе в теплообменник, а «''» - на выходе из теплообменника (рис. 2).

Рис. 2. Обозначения теплоносителей в теплообменнике типа «труба в трубе»

Произведение Мcp называют водяным эквивалентом и обозначают буквой W. Тогда из уравнения (2) следует, что

т.е. отношение изменений температур теплоносителей обратно пропорционально изменению их водяных эквивалентов.

Характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообменного аппарата также зависит от схемы взаимного движения теплоносителей. В теплообменных аппаратах движение жидкости осуществляется по трем основным схемам (рис.3).

Рис.3.Схемыдвижениятеплоносителейвтеплообменныхаппаратах: а–прямоток; б–противоток; в- перекрестныйток

5

Если направление движения горячего и холодного теплоносителей совпадают, то такое движение называется прямотоком (рис. 3,а). Если направление движения горячего и холодного теплоносителя противоположны, то такое движение называется противотоком (рис. 3,б). Если же горячий теплоноситель движется перпендикулярно движению холодного теплоносителя, то такое движение называется перекрестным током (рис. 3,в). Кроме этих основных схем движения жидкостей, в теплообменных аппаратах применяют более сложные схемы движения, включающие все три основные схемы.

Следует отметить, что в секционных теплообменниках типа «труба в трубе» длина трубного пучка обычно в десятки раз больше диаметра корпуса. Поэтому в них практически осуществимы лишь две схемы движения теплоносителей: прямоточная и противоточная.

При различных соотношениях между водяными эквивалентами и в зависимости от схемы течения теплоносителей получают различные законы из-

менения температур теплоносителей, как это показано на рис. 4.

Рис. 4. Характер изменения температур теплоносителей при прямотоке (а) и противотоке (б)

При прямотоке конечная температура нагреваемого теплоносителя всегда меньше конечной температуры греющего теплоносителя. При противотоке конечная температура нагреваемого теплоносителя может быть и выше конечной температуры греющего теплоносителя.

При проектировании теплообменных аппаратов требуется определить площадь поверхности теплообмена F при заданном количестве передаваемой в единицувременитеплоты Q (тепловойпоток) по уравнению:

то есть, задача сводится к вычислению коэффициента теплопередачи k и усредненного по поверхности теплообмена температурного напора t .

6

Если обозначить разность температур теплоносителей на входе в теплообменник tб и на выходе из теплообменника tм , то средний температурный

Вычисленный по формулам (5) и (6) температурный напор называют

среднелогарифмическимтемпературнымнапором.

Если температуры теплоносителей вдоль поверхности теплообмена изменяются незначительно, то среднюю разность температур можно найти как среднюю арифметическую величину:

Среднеарифметический температурный напор всегда больше среднелогарифмического. Если tб tм 2 , температурный напор достаточно точно

можнонаходитьпоформуле(7).

При вычислении температурного напора для сложных схем движения теплоносителей в уравнения (5) и (6) вводятся поправки на основании графиков, приведенных в специальной литературе.

Поверочный тепловой расчет.

Одной из задач поверочного расчета теплообменного аппарата является определение конечных температур горячего и холодного теплоносителей. В этом случае известными являются величины: поверхность теплообмена F , коэффициент теплопередачи k , водяные эквиваленты W1 и W2 и начальные

температуры теплоносителей t1 и t2 . Порядок решения задачи следующий:

1. Из уравнения теплового баланса (2) находим количество теплоты, отдаваемое горячей жидкостью:

3. Соответственно, для холодной жидкости имеем:

7

Термическая проводимость k (коэффициент теплопередачи) – величина, обратная общему сопротивлению теплопередаче:

rзагр r1 r2 , где ri – термическое сопротивление слоя загрязнения со стороны i-того

теплоносителя, определяемое по табл. 1.

Таблица 1

Термическая проводимость загрязнений стенок 1r

В расчетах теплопередачи через стенку цилиндрической формы (стенку

Одной из основных проблем при решении уравнения (14) является определение коэффициентов теплоотдачи , которые рассчитываются, в основном, из критериальных соотношений. Вид зависимости между критериями находится экспериментально для каждого вида теплообмена и приведен в справочной и специальной литературе.

В общем виде коэффициент теплоотдачи является функцией большого числа переменных, которые могут быть связаны между собой критериями подобия:

где l - определяющий линейный размер.

Конкретный вид уравнения зависит от режима движения, физических свойств теплоносителя, условий обтекания теплопередающей поверхности.

а) при ламинарном движении теплоносителя в каналах (Re<2300)

9

б) при турбулентном движении (Re>10000)

10