Курсовое
.pdfСАНКТ-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. |
Санкт-Петербург
2024
|
Содержание |
|
Введение................................................................................................................... |
3 |
|
1. |
Определение теплопередающей поверхности ................................................. |
5 |
2. |
Тепловой расчет теплообменного аппарата ................................................... |
11 |
3. |
Определение характеристик трубного пучка ................................................. |
18 |
4. |
Перерасчет коэффициента теплоотдачи воды ............................................... |
21 |
5. |
Итерации ............................................................................................................ |
23 |
6. |
Гидравлический расчет..................................................................................... |
24 |
Заключение ............................................................................................................ |
27 |
|
Список используемой литературы ...................................................................... |
28 |
|
Приложение 1 ........................................................................................................ |
29 |
|
Приложение 2 ........................................................................................................ |
30 |
|
2
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
вкачестве объекта теплового и гидравлического расчета выберем рекуперативные воздухоохладители. Воздухоохладители играют важную роль
вэнергомашиностроении 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
3
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.
4
1. Определение теплопередающей поверхности
Исходные данные:
–Расход воздуха: М1 = 30 [кгс ];
–давление воздуха на входе в теплообменный аппарат: p′1 = 2,5 [бар];
–допустимые относительные потери давления в воздушном тракте:
Δp
′ = 7,0 %;
p1
–температура воды на входе: t′2 = 20 °С;
–температура воды на выходе: t′′2 = 30 °С;
–компоновка пучка – шахматная;
–материал труб – медь;
Принимаем для воздуха значения p1 = 1 бар, t1 = 20 °С. Считаем процесс сжатия воздуха в компрессоре перед теплообменным аппаратом адиабатным
( Q=0). Тогда температура воздуха на входе в компрессор:
|
|
|
′ 1−k |
|
1,4 − |
1 |
|||
Т = Т′ |
= Т ( |
p1 |
) |
|
|
= 293,15 · (2,5) |
|
|
|
k |
|
1,4 |
|
||||||
|
|
||||||||
|
1 |
1 |
p1 |
|
|
|
|||
= 380,9 К = 107,8 °С,
где k = 1,4 – показатель адиабаты воздуха.
Температуру воздуха на выходе найдем с помощью степени охлаждения
|
′ |
′′ |
|
|
|
ε = |
t1 |
−t1 |
, которая может принимать значение ε = [0,8. .0,95]. Принимая ε = 0,8, |
||
′ |
′ |
||||
|
t1−t2 |
|
|
|
|
найдем t1′′: |
|
|
|||
|
|
′′ |
= ′ |
− ( ′ |
− ′ ) = 107,8 − 0,8 · (107,8 − 20) = 37,6 °С. |
|
|
1 |
1 |
1 |
2 |
Массовый расход воды можно найти из уравнения теплового баланса при условии, что теплообмен происходит без потерь, то есть Qотв = Qпол. Или
М1Cp(t1′ − t1′′) = МВCpВ(t′′2 − t′2). Тогда:
5
|
|
|
М С |
p |
(t′ |
− t′′) |
|
30 · 1,015 · (107,8 − 37,6) |
|
кг |
|
|
||||||||
|
|
М = |
1 |
1 |
1 |
|
= |
|
|
|
|
|
= 51,4 [ |
|
|
]. |
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
В |
СpВ(t2′′ − t2′ ) |
|
|
4,156 · (30 − 20) |
|
|
|
|
с |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
Предлагаемые варианты теплопередающей поверхности представлены в |
||||||||||||||||||
|
таблице 1. По данным таблицы необходимо построить графики и выбрать |
|||||||||||||||||||
|
наиболее рациональный вариант. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Выбор варианта теплопередающей поверхности |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Вариант 9 |
|
|
|
|
|
|
|
Вариант 10 |
|
|
|
Вариант 11 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
с |
p |
V |
М |
|
|
с |
|
p |
|
V |
М |
с |
p |
|
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 |
||||||
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:
∆p = p1′ ∙ 0,07 = 2,5 ∙ 0,07 = 0,175 бар = 17500 Па
6
p, Па
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
7 |
12 |
17 |
|
22 |
27 |
32 |
|||
|
|
|
|
с, м/с |
|
|
|||
|
|
|
9 |
|
|
10 |
|
11 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
Рисунок 1 – График зависимости потери давления от скорости движения воздуха
V, м3
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
7 |
12 |
17 |
22 |
27 |
32 |
|||
|
|
|
|
с, м/с |
|
|
||
|
|
|
9 |
|
10 |
|
11 |
|
|
|
|
|
|
|
|||
Рисунок 2 – График зависимости объема от скорости движения воздуха
7
|
1900 |
|
1800 |
|
1700 |
М, кг |
1600 |
1500 |
|
|
1400 |
|
1300 |
7 |
12 |
17 |
22 |
27 |
32 |
с, м/с
9 
10 
11
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:
8
наружный диаметр трубы – d = 19,6 мм;
наружный диаметр ребра – D = 37,2 мм;
толщина ребра – δр = 0,3 мм;
шаг оребрения – Sр = 2,8 мм;
поперечный шаг труб в пучке – S1 = 68,4 мм;
продольный шаг труб в пучке – S2 = 20,3 мм;
ширина стенки трубы – δ =1,5 мм
Рисунок 4 – Схема шахматного пучка
9
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.
10