Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Оренбургский государственный университет»

Архитектурно-строительный факультет

Кафедра теплогазоснабжения, вентиляции и гидромеханики

Расчетно-графическое задание

по дисциплине «Тепломассообмен»

«Тепловой расчет рекуперативного теплообменника типа труба в трубе»

ГОУ ОГУ 270109.6 0 10 .92 О

Руководитель:

___________Пикулев И.А.

«__»_____________2011 г.

Исполнитель:

__________Захарова А.А.

«__»_____________2011г.

Оренбург 2011

Содержание

1 Введение ………………………………………………………………….3

2 Исходные данные………………..…...…………………….…………….6

3 Уравнение теплового баланса…………....……………………………...8

4 Определение коэффициента теплопередачи ……….…………….......14

5 Определение среднего температурного напора ………………..…….14

6 Определение площади теплообмена, определение длины труб теплообменника, выбор типового размера теплообменника…………..15

7 Список использованных источников………………………………….16

8 Приложение……………………………………………………………..17

Введение

Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором осуществляется процесс передачи тепла от одной среды (горячего теплоносителя) к другой (холодному теплоносителю).

В качестве теплоносителей в теплообменных аппаратах (теплообменниках) используются разнообразные жидкости, пары, и газы.

В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели и как охладители. Применяется в технологических процессах нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве.

Классификация теплообменных аппаратов

Теплообменники по способу передачи теплоты подразделяют на поверхностные, где отсутствует непосредственный контакт теплоносителей, а передача тепла происходит через твёрдую стенку, и смесительные, где теплоносители контактируют непосредственно. Поверхностные теплообменники в свою очередь подразделяются на рекуперативные и регенеративные, в зависимости от одновременного или поочерёдного контакта теплоносителей с разделяющей их стенкой

Поверхностные теплообменники

Рекуперативные теплообменники

Рекуперативный теплообменник— теплообменник, в котором горячий и холодный теплоносители движутся в разных каналах, в стенке между которыми происходит теплообмен. При неизменных условиях параметры теплоносителей на входе и в любом из сечений каналов, остаются неизменными, независимыми от времени, т.е процесс теплопередачи имеет стационарный характер. Поэтому рекуперативные теплообменники называют также стационарными.

В зависимости от направления движения теплоносителей рекуперативные теплообменники могут быть прямоточными при параллельном движении в одном направлении, противоточными при параллельном встречном движении, а также перекрестноточными при взаимно перпендикулярном движении двух взаимодействующих сред.

Часто под рекуперативным теплообменником ошибочно понимается рекуперативный противоточный теплообменник. (В нём вместо уравнивания температурных потенциалов происходит их обмен, потери могут составлять до 30 %).

Рисунок 1. Водоводяной подогреватель: 1 - патрубок входа нагреваемой воды; 2 - крышка; 3 - трубная доска; 4 - кожух; 5 - перегородки; 6 - трубки; 7 - патрубок входа греющей воды

Наиболее распространённые в промышленности рекуперативные теплообменники:

• Кожухотрубные теплообменники,

• Элементные (секционные) теплообменники,

• Двухтрубные теплообменники типа "труба в трубе",

• Витые теплообменники,

• Погружные теплообменники,

• Оросительные теплообменники,

• Ребристые теплообменники,

• Спиральные теплообменники,

• Пластинчатые теплообменники,

• Пластинчато-ребристые теплообменники,

• Графитовые теплообменники.

Регенеративные теплообменники

В регенеративных поверхностных теплообменниках теплоносители (горячий и холодный) контактируют с твердой стенкой поочерёдно. Теплота накапливается в стенке при контакте с горячим теплоносителем и отдаётся при контакте с холодным.

Смесительные теплообменники

Смесительный теплообменник (или контактный теплообменник) — теплообменник, предназначенный для осуществления тепло- и массообменных процессов путем прямого смешивания сред (в отличие от поверхностных теплообменников). Наиболее распространены пароводяные струйные аппараты ПСА — теплообменники струйного типа, использующие в своей основе струйный инжектор. Смесительные теплообменники конструктивно устроены проще, нежели поверхностные, более полно используют тепло. Однако, пригодны они лишь в случаях, когда по технологическим условиям произ­водства допустимо смешение рабочих сред. Большое применение контактные теплообменники находят в установках утилизации тепла дымовых газов, отработанного пара и т.п.

Основные положения теплового расчета

Уравнение теплового баланса:

G₁*с_p1(t₁^’- t₁^”)=G₂*с_p2(t₂^”- t₁^’),

где G₁- массовый расход горячего теплоносителя,

G₂ - массовый расход холодного теплоносителя,

с_p –средняя удельная теплоемкость теплоносителя в интервале температур от 0 до t, Дж/(кг*К)

При тепловом расчете теплообменного аппарата определяется площадь теплообмена из уравнения:

(1)

где, – количество теплоты, передаваемой в единицу времени через стенку теплообменника (Вт);

–коэффициент теплопередачи (Вт/м²∙град);

- средний температурный напор (ºС);

- площадь поверхности теплообмена (м².).

Тогда из формулы (1), можно определить площадь поверхности теплообмена (м².):

(2)

Исходные данные

1.Тип теплообменника – «труба в трубе»

Рисунок 2. Принципиальная схема

t₁^’ – температура горячего теплоносителя (турбинное масло) на входе в теплообменник, ⁰C

t₁^”– температура горячего теплоносителя (турбинное масло) на выходе из теплообменника, ⁰C

t₂^’ – температура холодного теплоносителя (дизельное топливо) на входе в теплообменник, ⁰C

t₂^”– температура холодного теплоносителя (дизельное топливо) на выходе из теплообменника, ⁰C

Примечание: Схема движения: «противоток»

2.Горячий теплоноситель – турбинное масло

С параметрами:

t₁^’ =90 ⁰C

расход горячего теплоносителя G₁=0.4кг/с.

3. Отношение диаметров трубы, внутри которой движется горячий теплоноситель: d₂/d₁=30/28 мм/мм.

Рисунок 3.

4. Необходимо определить скорость теплоносителя W, м/с

5. Холодный теплоноситель - дизельное топливо

С параметрами:

t₂^’ =10 ⁰C

расход холодного теплоносителя G₂=1.1кг/с.

6. Разница температур холодного теплоносителя:

t₂=t₂^”-t₂^’=30 ⁰C

7. Диаметр трубы, внутри которой движется горячий теплоноситель: D₂=38 мм

8. Материал труб-латунь

Уравнение теплового баланса

Определяем количество передаваемой теплоты, необходимой для нагревания одного теплоносителя за счет охлаждения другого

1. Q₁=G₁*C_p1(t₁^’- t₁^”) – теплота, отдаваемая горячим теплоносителем для нагревания холодного, Вт

2. Q₂=G₂*C_p2(t₂^”- t₁^’) – теплота, необходимая для нагрева холодного теплоносителя, Вт

3. Составляем уравнение теплового баланса:

Q₁= Q₂

G₁*с_p1(t₁^’- t₁^”)=G₂*с_p2(t₂^”- t₂^’),

где: G₁- массовый расход горячего теплоносителя (турбинное масло), кг/с

G₂ - массовый расход холодного теплоносителя (дизельное топливо), кг/с

с_p –средняя удельная теплоемкость теплоносителя в интервале температур от 0 до t, Дж/(кг*К)

4 . Так как t₂=t₂^”-t₂^’ – температурный перепад холодного теплоносителя, то

t ₂^” = t₂ + t₂^’

t₂^”=30+10=40⁰С

Подставляем данные в уравнение теплового баланса:

G₁*с_p1(t₁^’- t₁^”)=G₂*с_p2(t₂^”- t₂^’) - уравнение теплового баланса

Так как Q₂=G₂*C_p2(t₂^”- t₁^’), то

t₁^”= t₁^’- Q₂/ G₁* с_p1

t₁^”=90-61.842/1.1*1.874=90-30=60⁰С

t_cp1=( t₁^’+ t₁^”)/2 – средняя температура горячего теплоносителя;

t_cp1=(90+60)/2=75⁰С

t_cp2=( t₂^’+ t₂^”)/2 – средняя температура холодного теплоносителя;

t_cp2=(10+40)/2=25⁰С

t_ср^ст =( t_ср1+ t_ср2)/2 – температура стенки;

t_ср^ст =50⁰С

Характерная разность температур

t₁= t_cp1 -t_ср^ст

t₁=75-50=25⁰С

t₂= t_ср^ст -t_cp2

t₂=50-25=25⁰С

Схема изменения температуры теплоносителей

t

F

Рисунок 4. Схема изменения температуры теплоносителей

Выписываем параметры горячего и холодного теплоносителей по средним значениям t _{ср 1} и t _{ср 2}

Горячий теплоноситель (турбинное масло), t_cp1=75⁰С

ρ₁ =873– плотность турбинного масла, кг/м³;

с_р1=2,033– удельная теплоёмкость турбинного масла, кДж/кг*к;

√₁=24,5*10^-6– кинематическая вязкость турбинного масла, м²/с;

λ₁=0,1236*10^-2– теплопроводность турбинного масла, Вт/м*к;

Рr₁=6.96 - критерий Прандтля для турбинного масла;

Рr_ст1=7,25 - критерий Прандтля для турбинного масла вблизи стенки;

Холодный теплоноситель (дизельное топливо), t_cp2=25⁰С

ρ₂ =883,325– плотность дизельного топлива, кг/м³;

с_р2=2,034– удельная теплоёмкость дизельного топлива, кДж/кг*к;

√₂=5,503*10^-6– кинематическая вязкость дизельного топлива, м²/с;

λ₂=0,134*10^-2– теплопроводность дизельного топлива, Вт/м*к;

Рr₂=0,73 - критерий Прандтля для дизельного топлива;

Холодный теплоноситель вблизи стенки, t_ср^ст =50⁰С

Рr_ст2=0,56 - критерий Прандтля для дизельного топлива вблизи стенки;

ρ _ст2 =874,25– плотность дизельного топлива вблизи стенки, кг/м³;

√_ст2=5, 09*10^-6– кинематическая вязкость дизельного топлива вблизи стенки, м²/с;