ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра промышленной теплоэнергетики

Курсовой проект

Расчет теплообменника и выбор термодинамически совершенной компоновки

Вариант № 23

Выполнил: студент группы ТЭ-09-01 Салихова Э.И.

Проверил: доцент Китаев С.В.

Уфа 2011

Содержание

1. Задание…………………………………………………………………………

2. Исходные данные……………………………………………………………...

3. Расчёт водоводяного теплообменника……………………………………….

4. Гидравлический расчёт теплообменного аппарата и расчёт мощности…..

5. Расчёт эксергетического КПД………………………………………………..

6. График зависимости эксергетического КПД от скорости греющего теплоносителя………………………………………………………………….

7. Выводы и рекомендации………………………………….………...……...…

8. Список использованной литературы…………………………………………

Задание:

Выбрать термодинамически наиболее совершенную компоновку водоводяного теплообменника (охладителя конденсата) на основе теплового конструктивного, гидравлического расчетов и эксергетического анализа из 45...48 вариантов при заданных исходных дан­ных. По трубкам движется конденсат, в межтрубном пространстве - химически очищенная вода. Среднее давление конденсата и воды в теплообменнике принять равным 0,5 МПа.

Трубки расположены в зависимости от вариантов по углам шестиугольников или концентрическим окружностям с шагом раз­бивки S . Произвести гидромеханические и эксергетические расче­ты каждого варианта. Представить схему компоновки выбранного варианта в масштабе.

Значения температур теплоносителей, схему их движения и характеристику трубного пучка принять из табл. I и примечаний к ней в соответствии с выданным заданием.

1. Исходные данные

№ варианта	Wк,	Мв,	, 0С	, 0С	, мм		Схема движения теплоносителя
21	1,5	250	150	130		1,3	смешанный ток
22	2,0		130	110
23	3,0		120	100
24	4,0		120	100

Примечания:

1. Для всех вариантов t’_в =95 °C; t"_в = 105°С.

2. Расположение труб в трубной доске подогревателя треугольное (трубки латунные).

3. Коэффициент, учитывающий потери теплоты в окружающую среду принять равным η=0,98.

Схема движения теплоносителей – смешанный ток

2. Расчёты

1. Расчёт водоводяного теплообменника

Расчет для варианта № 23

Определим количество передаваемого тепла (теплопроизводительность аппарата) по уравнению теплового баланса:

Q_K ∙η_ТОА = Q_в

или

М_к∙с_pm^к(t’_к- t”_к) ∙η_ТОА= М_в∙ с_pm^в(t”_в- t’_в),

где Q_K, Q_B - тепловой поток отданный конденсатом и воспринятый водой

Определим средние температуры для определения средних теплоёмкостей для конденсата и воды:

	tср, ºС	ρ,кг/м3	сp,кДж/кг∙град	λ∙102,Вт/м∙град	ν∙106,м2/с	Pr
Конденсат	110	951	4,233	68,5	0,272	1,6
Вода	100	958,4	4,22	68,3	0,295	1,75

t_ср^к= ºС

t_ср^в= ºС

Тогда

Q_B= М_в∙ с_pm^в(t”_в- t’_в)=250∙4,22∙10³∙ (105-95)=10550 .

Определяем массовый расход конденсата:

М_к= 10550000/(4,233*10³ (120-100)0,98)=126

Определяем общее число трубок подогревателя одного хода:

n₁=4* М_г/( W_г* ρ_г*π* d_в²)=4*126/(3*3,14*951*(0,023)² )=106,4,

где d_в= d_н-2δ=20-2∙2=16 мм

По таблице 2 приложения [1] изменим число трубок до ближайшего табличного значения, в зависимости от расположения труб в трубной доске

n₁=221,5

Т.к. при противотоке ТОА двухходовой, значит, общее число трубок будет равно:

n=443

По таблице 2 приложения [1] изменим число трубок до ближайшего табличного значения, в зависимости от расположения труб в трубной доске.

Определяем диаметр, на котором располагаются оси крайних трубок:

D’/S=22

где D’/S - определяем при стандартном n для заданного расположения трубок

по таблице 2 приложения [1];

S - шаг между трубками равен:

S = l,3∙d_H=1,3*20=26 мм.

Тогда

D'=S(D’/S)=22∙26∙10^-3=0,572 м.

Определяем внутренний диаметр корпуса теплообменника:

D_в= D'+ d_H+2k=0,572+0,02+2*0,006=0,604 м

где k - кольцевой зазор между крайними трубками и корпусом, который принимается из конструктивных соображений равным 0,006 м; d_H - наружный диаметр трубок.

Определяем скорость воды:

W_в= М_в /( ρ_в * f_B )=250/(958,4*0,156)=1,67м/с

где fв, — сечение для прохода воды, определяется как разность площади сечения аппарата и площади, занятой трубками для прохода конденсата:

f_B=f_a-Σf_тр=0,25∙π∙D_в²-n∙0,25∙π∙d_H=0,25∙3,14∙0,604²-416∙0,25∙3,14∙ 0,02²=0,286м²

Определяем коэффициенты теплоотдачи со стороны конденсата и со стороны воды.

Вычисляем числа Рейнольдса для конденсата и воды:

Re_к= W_к * d_в/ ν_к =3*0,016/(0,272*10^-6)=176470

Re_в= W_в * d_экв/ ν_в =1,67*0,022/(0,295*10^-6 )=124542

d_экв- эквивалентный диаметр ТОА, определяем по формуле:

d_экв = 4* f_B /U=4*0,156/28=0,022

где U - смоченный периметр, определяем по формуле:

U = π(D_B + n∙d_H)=3,14(0,604+416*0,02)=28м

Определяем числа Нуссельта для конденсата и воды по таблицам «Уравнение подобия для расчета среднего безразмерного коэффициента теплоотдачи»:

Nu_к=0,021∙Re_к^0,8∙Pr_к^0,43( ^0,25=0,021∙176470^0,8∙1,6^0,43( ^0,25=298

Nu_в=0,021∙Re_в^0,8∙Pr_в^0,43( ^0,25=0,021∙124542^0,8∙1,75^0,43( ^0,25=321,9

где Рr_к, Рr_в, Рr_с - числа Прандтля соответственно для конденсата, воды и среды при температуре жидкости и при температуре стенки (определяется как

средняя температура между средней температурой конденсата и средней температурой воды, т.е. при 120 °С), находим по таблице 1 приложения [1].

Коэффициенты теплоотдачи находим по формулам:

α_к= λ_к * Nu_к / d_в =68,5*10^-2 *400,3/0,016=17137 Вт/(м²*гр)

α_в= λ_в * Nu_в / d_экв =68,3*10^-2 *321,9/0,022=9993 Вт/(м²*гр)

Коэффициент теплопередачи применительно к водоводяному теплообменнику рассчитываем по формуле:

k=1/( + )=5618 Вт/( м²*гр)

где δ_М=2∙10^-3 м, толщина трубки;

λ_М=104 Вт/м∙град - коэффициент теплопроводности металла.

Определяем средний температурный напор в аппарате, ºС:

L, м

Рис.1 – Распределение температур по длине ТОА.

,

где – соответственно больший и меньший температурный напоры. Из рисунка видно: .

.

Определяем поверхность нагрева теплообменника:

F_вв= Q_B /(к* Θ_м )=10550*10³/(5216,5*9,1)=222,2 м²

Определяем длину трубного пучка:

L= F_вв /( π* d_н * n*z)=222,2/(3,14*0,02*443*2)=4 м

Исходя из полученных данных принимаем ТОА состоящий из N_сек=1