Расчет теплообменника
.pdfФедеральное агентство по образованию РФ ФГАУ ВПО «Уральский Федеральный Университет – УПИ
им. первого Президента России Б.Н. Ельцина» Кафедра Теплоэнергетики и теплотехники
КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
по дисциплине:
«Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий»
Расчет теплообменного аппарата
Руководитель |
Тупоногов В.Г. |
Студент
Екатеринбург
2014
Задание по курсовому проектированию
1.Тема проекта:
Вертикальный теплообменный аппарат
2.Исходные данные:
Греющий теплоноситель – насыщенный пар (межтрубное пространство)
Pизб = 0,8 МПа.
Нагреваемый теплоноситель - вода (трубки)
tв = 15 0С; tв = 85 0С; Gв=60 м3/ч;
Рабс =0,9 МПа.
3. Содержание проекта: Тепловой и конструктивный расчет Гидравлический расчёт
Механический расчет элементов конструкции теплообменного аппарата. Расчёт тепловой изоляции КИП и А Требования «Ростехнадзора»
4. Графическая часть проекта: Сборочный чертеж
2
Расчет
3.1.Описание аппарата.
Кожухотрубчатые теплообменные аппараты применяют для нагрева и охлаждения жидкостей и газов, а также для испарения и конденсации теплоносителей в различных технологических процессах.
Кожухотрубчатый теплообменник представляет собой аппарат, выполненный из пучков труб, собранных при помощи трубной решетки, и ограниченный кожухом и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости и коэффициента теплоотдачи теплоносителей.
Теплообменник сварной с прямыми трубками, завальцованными в трубные доски. Трубки латунные с диаметром 20/18 мм. Коэффициент теплопроводности латуни λ=104,8 Вт/м·К. Корпус выполнен из стали (Ст20).
3.2.Тепловой и конструктивный расчет.
3.2.1Ориентировочно по существующим конструкциям выбираем Наружный диаметр трубок dнар=20мм,
Внутренний диаметр трубок dвн=18 мм,
3.2.2.Выбираем из справочника оптимальную скорость теплоносителя внутри трубок ω0 = 1,8 м/с.
3.2.3.Определяем число трубок.
Температурный напор.
t |
t |
б |
t |
м |
, где |
|
|
||
ln |
t |
б |
|
|
|
|
|||
|
tм |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
tб |
tм tв 175,9 15 |
160,9 0С |
|||||||
tм |
tм |
tв 170 ,4 85 |
90,9 0С |
||||||
175,9 оС – температура насыщения при давлении Pизб = 0,9 МПа
t 160,9 90,9 122,58 0С ln160,9
90,9
Найдем средние температуры теплоносителей. При противотоке считают допустимым определять среднюю температуру теплоносителя с меньшим температурным перепадом как среднеарифметическую, а среднюю температуру другого теплоносителя по формуле ts tсрв t .
tвср ts t 175,9 53,3 53,30С
Теплоемкость воды и ее плотность определяется по средней температуре из таблиц:
св = 4,17 кДж/(кг∙К); ρв = 986,8 кг/м3.
3
Определяем тепловую мощность:
Qв=cмGм tм tм =4,17∙16,44∙(85 - 15)= 4811 кВт.
Расход воды Gв=60 м3/ч=16,44 кг/с
Число труб:
n |
|
4 Gв |
|
|
|
4 16,44 |
36,4 шт. 37шт. |
|
|
|
|
|
3,14 0,0182 1,8 986,8 |
||||
|
2 |
wв |
в |
|
||||
|
d |
вн |
|
|
|
|||
Принимаем число трубок 100, уточняем скорость:
w |
|
4 Gв |
|
|
4 16,44 |
1,77 м/с |
||
|
|
|
3,14 0,0182 37 986,8 |
|||||
в |
2 |
n |
|
в |
|
|||
|
d |
вн |
|
|
|
|||
Расположение трубок в трубной решетке: по вершинам равностороннего треугольника.
Шаг между центрами трубок:
t= dн∙1,5=0,02∙1,5=0,03 м.
3.2.4Определение внутреннего диаметра корпуса Положение крайних трубок.
tк |
t |
dн |
0,03 |
0,02 |
0,02 |
м. |
|
2 |
|||||
|
2 |
|
|
|
||
Внутренний диаметр (аппарат принимается двухходовым):
Dвн. 1,27
0,866 t2 N L t 1,27
0,866 0,032 74 0,4 0,03 0,31 м
L наибольшая суммарная длина перегородок в днище аппарата, м. Округляем в большую сторону до стандартного значения: Dвн=0,35 м.
Для насыщенного водяного пара скорость в межтрубном пространстве не проверяется.
3.2.5.Определение коэффициента теплопередачи.
При dср/δ≥2
k |
|
|
|
1 |
|
|
|
, |
Вт |
|
1 |
|
|
|
1 |
|
м2 К |
||
|
|
1 |
ст. |
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|||||
ст. - теплопроводность материала из которого изготовлена трубка для
латуни, ст. = 104,8 Вт/м К;- толщина стенки трубки, м.
4
Определение коэффициента теплоотдачи от трубок к воде 2 (вынужденное течение внутри трубок):
|
2 |
|
Nu2 2 |
, |
Вт |
|
|
dвн |
м2 К |
||
Re2 dвнwв 0,018 1,77 60702 v2 0,524 10 6
2 =0,524·10-6 - кинематическая вязкость при tсрв = 53,3оС;
|
|
0,8 |
0,43 |
|
|
Prж |
0,25 |
|
|
|
|||
Nu2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
0,021 Re |
2 |
Prж |
|
|
|
|
1 |
|
|||||
Pr |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
ст |
|
|
|
|
|
|
|
|
0,8 |
|
|
|
|
0,43 |
3,35 |
|
0,25 |
||
Nu2 |
0,021 60702 |
3,35 |
|
|
|
|
|
1 282,9 |
|||||
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1,66 |
|
|
||
Prж =3,35 (при tсрв = 53,3оС)
Prст =1,66 (при tсрст = 105 оС (принимается предварительно))
2=0,644 Вт/(м К) - теплопроводность воды при средней температуре.
2 |
|
282,9 0,644 |
10127 |
Вт |
|
м2 К |
|||
|
0,018 |
|
||
Определение коэффициента теплоотдачи от пара к трубкам п (пленочная конденсация на вертикальной трубе):
|
|
|
|
|
3 |
|
2 g r |
|
Вт |
|
|
|
|
|
|||||||||
1 |
0,9434 |
|
|
|
ж |
ж |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
ж t h |
м2 К |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
где ж = 0,676 Вт/м К теплопроводность пленки конденсата; |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
ρ=891,3 кг/м3 – плотность конденсата; |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
g = 9,81 м2/с – ускорение свободного падения; |
|||||||||||||||||||||
|
|
r =2028*1000 Дж/кг – удельная теплота парообразования; |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
μж =0,0001538 Н·с/м2 коэффициент динамической вязкости конденсата; |
||||||||||||||||||||
|
|
|
t ts |
|
|
Δt=175,9-105=70,9 0С; |
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
tст ; |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
h =0,2 м расстояние между перегородками. |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,6763 891,2 9,81 2028 103 |
|
|
Вт |
|
||||||||||
|
1 |
0,9434 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6489,7 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
м2 К |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0,0001538 70,9 0,2 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
Пересчитаем температуру стенки: |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
tст= |
2tвср |
1tпср |
|
10127 53,3 6489,72 175,9 |
101,2 |
0 |
С |
||||||||||||||||
|
2 |
1 |
|
|
10127 6489,7 |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Погрешность в определении температуры стенки:
Δ= 101,2 105 100% 3,6%, что не превышает 5 %. 101,2
5
Коэффициент теплопередачи:
k |
|
|
1 |
|
|
, |
Вт |
||
|
|
|
|
|
м2 К |
||||
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|||
|
1 |
ст. |
2 |
|
|||||
|
|
|
|
||||||
где δ=0,001м – толщина стенки трубки.
k |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
3811,3 |
Вт |
||
|
|
|
0,001 |
|
1 |
|
м2 К |
|||||
|
1 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
6489,7 |
104,8 |
|
10127 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|||||||
3.2.6 Определение площади поверхности нагрева и размеров ее элементов.
F |
Q |
|
4811 103 |
10,3 м2 |
||
|
|
|
3811,3 122,6 |
|||
|
k t |
|
|
|
||
Найдем длину трубок при числе ходов z =2:
L |
F |
|
|
10,3 |
|
2,33 |
м; |
||
dср N z |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
0,019 37 2 |
|
|||||
Отношение K= |
L |
|
2,33 |
6,6 7, |
|
||||
Dвн |
|
|
|||||||
|
|
|
0,35 |
|
|
|
|||
Dвн=0,35 м.
Выбираем наружный диаметр корпуса из ряда стандартных наружных диаметров Dн = 360 мм с толщиной стенки 5 мм
3.2.7Определение диаметров патрубков.
-диаметр патрубка для пара:
Dпп |
4 Gп п |
, м |
|
|
|
||
|
|
|
|
||||
|
|
wп |
|
|
|
||
Gп |
Gв |
Ср (tв" tв' ) |
16,44 4,17 (85 45) |
кг/с – расход пара; |
|||
|
|
|
|
|
2,37 |
||
|
|
|
2028 |
||||
|
|
r |
|
|
|||
νп =0,24 м3/кг – удельный объем пара;
wп – скорость пара, м/с, принимаем 30 м/с.
Dпп 
4 2,37 0,24 0,155м.
3,14 30
Выбираем наружный диаметр патрубка для пара из стандартного ряда и принимаем его Dпп=0,170 м
- диаметр патрубка для нагреваемой воды:
D |
пв |
|
4 Gв |
|
= |
4 16,44 |
0,127м |
w |
|
3,14 1,3 986,82 |
|||||
|
|
в |
|
||||
|
|
|
в |
|
|
||
6