САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПЕТРА ВЕЛИКОГО

Институт Энергетики

Высшая школа атомной и тепловой энергетики

Курсовой проект

По дисциплине «Тепломассообмен»

«Тепловой и гидравлический расчет теплообменного аппарата»

Выполнил студент гр. 3231401/20002 _____________ Школьников А.С.

Преподаватель _____________ Павлов А. В.

Содержание

Введение

Теплообменные аппараты различных типов широко используются почти во всех отраслях промышленности. По принципу действия теплообменные аппараты разделяют на рекуперативные, регенеративные и смесительные. В рекуперативных аппаратах теплота от одного теплоносителя к другому передается через неподвижную твердую стенку, и процесс теплообмена в них можно считать стационарным. Регенеративные аппараты работают в нестационарных (циклических) условиях, когда горячий и холодный теплоносители поочередно омывают поверхности аккумулятора теплоты. При этом аккумулятор (набивка) в первой части цикла отбирает теплоту от горячего теплоносителя, а во второй части цикла отдает ее холодному. В смесительных аппаратах передача теплоты происходит за счет непосредственного смешения горячего и холодного теплоносителей.

Из всего многообразия типов и конструкций теплообменных аппаратов в качестве объекта теплового и гидравлического расчета выберем рекуперативные воздухоохладители. Воздухоохладители играют важную роль в энергомашиностроении и широко применяются, например, в компрессорных установках. Расчету именно этих теплообменных аппаратов и посвящена курсовая работа. Воздухоохладители используются как в компрессорных установках, предназначенных для сжатия воздуха в технологических целях, так и в компрессорах газотурбинных установок. В зависимости от назначения воздухоохладители могут существенно различаться по конструкции и размерам. В курсовой работе предусмотрен расчет воздухоохладителя с умеренным расходом воздуха.

Тепловому и гидравлическому расчету воздухоохладителя должен предшествовать рациональный выбор его конструктивной схемы, который выполняется на основе анализа обобщенных характеристик теплообменных аппаратов. Выбранной схеме может удовлетворять множество типов теплопередающих поверхностей. Эти поверхности должны обеспечивать компактную конструкцию теплообменника при допустимом гидравлическом сопротивлении. Кроме того, принятая для конструкции воздухоохладителя теплопередающая поверхность должна быть технологичной и соответствовать современным возможностям производства. Только после решения этих принципиальных вопросов можно приступать к детальному тепловому и гидравлическому расчету воздухоохладителя. При постановке такого расчета ряд исходных данных может быть назначен в известной степени произвольно. Поэтому с целью оптимизации конструкции воздухоохладителя в пределах выбранной схемы необходимо выполнить ряд вариантных расчетов на ЭВМ. Изложенный подход к проектированию теплообменного аппарата определил структуру курсового проекта.

1. Определение теплопередающей поверхности

Исходные данные:

– Расход воздуха: = 30 ;

– давление воздуха на входе в теплообменный аппарат: = 2,5 ;

– допустимые относительные потери давления в воздушном тракте: = 7,0 %;

– температура воды на входе: = 20 ;

– температура воды на выходе: = 30 ;

– компоновка пучка – шахматная;

– материал труб – медь;

Принимаем для воздуха значения = 1 бар, = 20 . Считаем процесс сжатия воздуха в компрессоре перед теплообменным аппаратом адиабатным (ΔQ=0). Тогда температура воздуха на входе в компрессор:

= 380,9 К = 107,8 ,

где k = 1,4 – показатель адиабаты воздуха.

Температуру воздуха на выходе найдем с помощью степени охлаждения ε = , которая может принимать значение ε = . Принимая ε = 0,8, найдем :

= 37,6 .

Массовый расход воды можно найти из уравнения теплового баланса при условии, что теплообмен происходит без потерь, то есть . Или . Тогда:

Предлагаемые варианты теплопередающей поверхности представлены в таблице 1 [1]. По данным таблицы необходимо построить графики и выбрать наиболее рациональный вариант.

Таблица 1

Вариант 9					Вариант 10					Вариант 11
с	Δp	V	М	с		Δp	V	М	с		Δp	V	М
м/с	Па	м3	кг	м/с		Па	м3	кг	м/с		Па	м3	кг
10	5130	3,051	1854	10		3677	4,075	1828	10		2783	1,811	1781
15	10109	2,707	1645	15		9988	3,623	1626	15		7594	1,617	1590
20	20746	2,515	1528	20		20529	3,371	1513	20		15658	1,509	1484
25	36461	2,391	1453	25		36119	3,208	1439	25		27611	1,438	1415
30	58021	2,303	1400	30		57523	3,093	1388	30		44050	1,389	1366

Выбор варианта теплопередающей поверхности

Графики зависимости массы и объема теплообменного аппарата от скорости течения воздуха строятся на основании выбора скорости по максимально допустимым потерям давления в теплообменном аппарате.

Допустимы потери будут равны:

Рисунок 1 – График зависимости потери давления от скорости движения воздуха

Рисунок 2 – График зависимости объема от скорости движения воздуха

Рисунок 3 – График зависимости массы от скорости движения воздуха

Анализируя графики и выводя зависимости, составим таблицу необходимых величин для каждого из вариантов.

Таблица 2

Параметры, полученные по графикам

№ варианта	с, м/с	V, м3	М, кг
9	18,5	2,55	1560
10	18,7	3,45	1540
11	21	1,5	1470

Исходя из конструкционных и расчетных соображений, необходимо выбрать 11 вариант, так как в нем максимальная скорость при минимальных объеме и массе. Теплообменный аппарат с меньшими объемом и массой будет наиболее выгоден с точки зрения проектирования и эксплуатации.

Для выбранного варианта характеристики трубного пучка имеют следующие значения:

наружный диаметр трубы – ;

наружный диаметр ребра – ;

толщина ребра – ;

шаг оребрения – ;

поперечный шаг труб в пучке – ;

продольный шаг труб в пучке – ;

ширина стенки трубы – δ =1,5 мм

Рисунок 4 – Схема шахматного пучка

Рисунок 5 – Элемент фронтального сечения оребренной трубы

На рисунке 5 изображена схема шахматного пучка. На рисунке 6 показан элемент фронтального сечения оребренной трубы с ребрами. Чертеж выполнен с соблюдением размеров.