Курсовое

2. Тепловой расчет теплообменного аппарата

Определим количество теплоты, отводимое от воздуха:

Q = W1(t1′ − t1′′) = W2(t′′2 − t′2) = 30 · 1,015 · (107,8 − 37,6) = 2138 кВт

Для упрощения расчетов теплофизические характеристики воздуха и

воды возьмем при t = 100 °С и t = 20 °С соответственно.

Уравнение теплопередачи имеет вид:

Q = kFΔtлог,

где k – коэффициент теплопередачи; F – площадь поверхности

теплообмена; tлог – среднелогарифмический температурный напор.

Дальнейший расчет будет направлен на нахождение компонентов вышеупомянутой формулы и нахождению из нее площади поверхности

17,6 °С. Основанием для выбора данных формул является выбор противоточной схемы движения теплоносителей. Она является более эффективной при прочих равных условиях. Также по расчетам лог для противоточной схемы оказалась больше, чем для прямоточной (при прямотоке

лог = 32,8 °С), что также указывает на использование противоточной схемы.

11

Рисунок 7 – Зависимость температуры теплоносителей от теплоемкости массовых расходов для противоточной схемы

На рисунках 7 и 8 представлены зависимости для полученных выше

данных.

12

Коэффициент теплопередачи k определяется по формуле:

загрязнения, (м2 · К)/Вт; d, dв – наружный и внутренний диаметр трубы соответственно, мм; ɳ – коэффициент эффективности оребрения; φ –

коэффициент оребрения.

Внутренний диаметр трубы:

dв = d − 2δ = 19,6 − 2 · 1,5 = 16,6 мм.

Примем начальное приближение α2 = 6 кВт/(м2 · К).

Найдем значение термического сопротивления слоя загрязнения.

Примем время работы теплообменного аппарата τ=5000 часов. Тогда, исходя из значений, снятых с графика на рисунке 9, термическое сопротивление будет равно:

Rзагр = 0,0005 (м2 · К)/Вт.

Рисунок 8 – Изменение во времени термического сопротивления слоя загрязнения

13

Для дальнейшего расчета предварительно найдем ряд необходимых величин, таких как: площадь поверхности ребер Fр; площадь поверхности межреберных промежутков Fс; площадь полной поверхности оребренной трубы Fрс; площадь поверхности гладкой трубы, несущей оребрение F1.

Используем формулы:

Fрс = Fр + Fс = 1795 мм2;

1 = π р = · 19,6 · 2,8 = 172,4 мм2

В расчетах принимаются значения δ1 = 0,5 мм и δ2 = 0,1 мм исходя из

среднего значения толщины ребра δр = 0,3 мм. То есть, δр = δ1+δ2 .

2

Коэффициент оребрения рассчитывается по формуле:

14

Критерий Нуссельта:

Nu1 = 0,36 ∙ Re1n ∙ Pr10,33 ∙ Cz ∙ Csφ−0,5,

Где Cz и – поправочные коэффициенты на число рядов в пучке и коэффициент формы пучка соответственно. При числе рядов больше четырех поправочный коэффициент принимаем Cz = 1.

Коэффициент формы пучка рассчитываем по формуле:

где σ1 = 1 = 64,819,6 = 3,31;

σ2 = 2 = 20,319,6 = 1,036;

Показатель степени n:

n = 0,6 ∙ φ0,07 = 0,6 10,410,07 = 0,707.

Подставим значения в формулу для нахождения числа Нуссельта:

Nu1 = 0,38 597490,707 0,6880,33 1 1,092 10,41−0,5 = 270,7.

15

Отсюда коэффициент теплоотдачи составляет

Определим коэффициент эффективности оребрения ɳ. Для этого

воспользуемся следующей формулой:

η = 1 − (1 − ψ ∙ ∙ ξ) ( ),

где ψ – поправочный коэффициент; – коэффициент эффективности ребра; ξ – поправочный коэффициент для

Тогда:

ψ = 1 − 0,058 74,5 8,95 10−3 = 0,96.

Коэффициент эффективности круглого ребра постоянного сечения и поправочный коэффициент для трапециевидных ребер определим исходя из найденного значения m′h = 0,67 по графику (рисунок 9).

16

3. Определение характеристик трубного пучка

Расчет площади фронтального сечения производится по формуле:

f = fϰ1,

где f1 – площадь проходного сечения, а ϰ – коэффициент загромождения.

Рассчитаем площадь проходного сечения:

Коэффициент загромождения для шахматного пучка бывает двух видов:

фронтальный и диагональный. Необходимо рассчитать оба варианта и выбрать наибольший из них.

Расчет фронтального коэффициента загромождения:

Очевидно, что из двух значений коэффициента загромождения выберем фронтальный, так как по условию нам необходимо большее значение.

Подставим полученные значения в формулу площади фронтального сечения:

= 0,620,69 = 0,9 м2

18

Ширина a и высота L пучка в данном теплообменном аппарате одинаковы. Так как a = √f, следовательно, обе величины можно рассчитать по формуле:

a = L = √f = √0,9 = 0,95 м.

Число труб в ряду:

Определим глубину пучка:

b = z ∙ S2 = 78 20,3 10−3 = 1,6 м.

Объем теплообменного аппарата определяется формулой:

V = a2b = 0,952 1,6 = 1,44 м3

Обращаясь к изначально заданным параметрам теплообменного аппарата, проведем проверку полученного значения объема:

Полученное значение объема меньше заданного в варианте на 4%.

Рассчитаем массу теплообменного аппарата. Для этого воспользуемся формулой:

M = ρMVM.

Объем металла рассчитывается по формуле:

19

Вернемся к нахождению массы теплообменного аппарата. Так как материал аппарата – алюминий, то плотность берем соответствующую

(ρ=8900 кг/м3). Находим:

M = 8900 0,097 = 863,3 кг.

Проверка массы относительно начальных данных:

Полученное значение массы меньше заданного в варианте на 41%.

Далее необходимо определить коэффициент теплоотдачи со стороны воды. Ранее он был принят как начальное приближение, однако на данном этапе необходимо уточнить α2.

20