Расчет теплообменника типа "труба в трубе"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа по ТМО

 

тема: расчет теплообменника типа "труба в трубе"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

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

1.    Задание на курсовую работу.………………………………….......….……5

2.    Определение расхода греющего пара  ……………...……………..….…...7

3. Определение поверхности нагрева........…………………………........8

4. Расчет среднего коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к стенке a₁.......….….…........8

5. Расчет среднего коэффициента теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости a₂………………………………………….......10

6.    Определение поверхности теплообмена……………………………….…12

         Литература……………………………………………………………..….13

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) принято называть устройства, предназначенные для передачи тепла от одних тел к другим. В теплообменных аппаратах могут происходить различные тепловые процессы: изменение температуры, испарение, кипение, конденсация, расплавление, затвердевание и, наконец, более сложные, комбинированные процессы. Количество тел, участвующих в этих процессах, может быть больше двух, а именно: тепло может передаваться от одного тела к нескольким другим телам или, наоборот, от нескольких тел к одному. Эти тела, отдающие или воспринимающие тепло, принято называть теплоносителями.

Классификация теплообменных аппаратов. Теплообменные аппараты имеют большое распространение во всех отраслях промышленности и широко применяются в качестве вспомогательных элементов различных теплосиловых установок.

В зависимости от назначения теплообменные аппараты называются подогревателями, конденсаторами, испарителями, паропреобразователями и т. д.

По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные.

В поверхностных аппаратах каждый из теплоносителей ограничен твердыми стенками, частично или полностью участвующими в процессе теплообмена между теплоносителями. Та часть поверхности этих стенок, посредством которой передается тепло, называется поверхностью нагрева.

В свою очередь поверхностные  теплообменные аппараты делятся  на рекуперативные и регенеративные.

Если теплообмен между  различными теплоносителями происходит через разделительные стенки, то теплообменник называют рекуперативным. В аппаратах этого типа в каждой точке разделительной стенки тепловой поток при теплообмене сохраняет свое постоянное направление. Такие процессы теплообмена называются стационарными.

Если же два или  большее число теплоносителей попеременно  соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, то теплообменные аппараты называются регенеративными. В период соприкосновения с одним из теплоносителей стенки аппарата получают тепло и аккумулируют его; в следующий период -  соприкосновения другого теплоносителя с той же поверхностью стенок - аккумулированное тепло передается теплоносителю. Направление теплового потока в каждой точке стенок во втором периоде теплообмена изменяется на противоположное, а процессы теплообмена – нестационарными.

В большинстве рекуперативных аппаратов осуществляется непрерывная передача тепла через стенку от одного теплоносителя к другому. Эти аппараты, как правило, являются аппаратами непрерывного действия. Лишь те рекуперативные аппараты, в которых производится периодическая смена подачи и отвода теплоносителей, можно отнести к аппаратам периодического действия.

Регенеративные теплообменники в большинстве случаев являются аппаратами периодического действия; в них разные теплоносители поступают в различные периоды времени. Непрерывная работа осуществляется в таких аппаратах лишь в том случае, если они снабжены движущимися (вращающимися вокруг оси) стенками или насадками, попеременно соприкасающимися с потоками разных теплоносителей и непрерывно переносящими тепло  из одного  потока  в другой.

Для небольших производительностей целесообразно применение теплообменников типа «труба в трубе», относящихся также к секционным, но конструктивно упрощенным аппаратам: в наружную трубу вставлена труба меньшего диаметра; отсутствуют трубные решетки и фланцы; все элементы аппарата соединены сваркой.

 

1. Задание на курсовую работу.

 

Определить поверхность теплообмена секционного теплообменника типа «труба в трубе», схема которого показана на рис.1. Теплообменник предназначен для нагревания жидкости (газа) объемным расходом V ( ) от температуры t₂′ до t₂″. Подогрев жидкости (газа) осуществляется за счет конденсации сухого насыщенного водяного пара, подаваемого в межтрубное пространство.

В задание так же входит:

-определение давления и массового расхода греющего пара G₁ (кг/час);

-определение коэффициента  полезного действия теплообменника;

-расчет гидравлического  сопротивления теплообменника и  затраты энергии на проталкивание  холодного теплоносителя.

 При расчете курсовой работы следует учесть, что температура внешней поверхности теплообменника не должна превышать максимальную, которая определяется допустимым уровнем термического воздействия на обслуживающий персонал. Последнее условие диктует необходимость решения вопроса о необходимости устройства изоляции на внешнем контуре теплообменника на базе соответствующего расчета.

 

 

Рис. 1. Теплообменник  «труба в трубе».

 

 

Вариант 3.

Дано: t_H =160

           t₂′=10

           t₂″=80

           М₂=2,0 кг/с

           труба медная 60 3

           ≈300 ( ).      

Все теплофизические  параметры сведены в приложении (П).  

     Ознакомившись с конструкцией теплообменного аппарата (Рис.1)

     а) Греющая среда – водяной насыщенный пар с температурой t_н =160

    б) Нагреваемая среда (холодный теплоноситель: вода), за счет подогрева паром (его конденсации) увеличивает свою температуру;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Порядок теплового расчета теплообменного аппарата.

 

2. Определение расхода греющего пара.

    

  2.1 Определение средней температуры холодного теплоносителя:

          (˚C)

    где -температура  входа нагреваемого теплоносителя,         [Исх. данные]

  -температура выхода нагреваемого теплоносителя.        [Исх. данные]

 

2.2 Расхода нагреваемой жидкости:

М₂=2,0  кг/с

                                                                                                         [Исх. данные]

  2.2.1 Определение весовой  теплоемкости:

при средней температуре  холодного теплоносителя с_р2=4,193  кДж/кг∙град

                                                                             [Табл.]

2.3 Определение количества тепла, воспринятое от конденсирующегося пара                   нагреваемой жидкостью:

Q=М₁∙r=М₂∙ (с_р2∙ t₂″- с_р2∙t₂') .

  Q =2,0∙(4,196∙80-4,193∙10)=587,5  кВт

2.4  Определение теплоты  парообразования:

      r= i″-i′  [кДж/кг].

 Значение энтальпии i₁″ [кДж/кг] находится при помощи диаграммы i-s по температуре t_н или с помощью табл. сухого насыщенного пара.

     i″= 2785 [кДж/кг]           [Табл.]

     i₁′=702,5[кДж/кг]

     r= 2785-702,5=2082,5  [кДж/кг] 

  2.5 Определение расхода пара:

        

 

 

3 Определение поверхности нагрева

Поверхность нагрева F рассчитывается из уравнения теплопередачи. Тонкую цилиндрическую стенку при d_нар/d_вн < 2 можно рассматривать как плоскую и расчет производить по уравнению F=Q/кDt, м²   

 

d_нар=60 мм =0.06 м

d_вн=54 мм =0,054 м

d_нар/d_вн=60мм/54мм=1,1

d_нар/d_вн<2

Dt_d=t_н-t_ж1=160°С-10°С =150°С – большая разность температур между теплоносителями

Dt_M=t_н – t_ж2 =160°С-80°С=80°С – меньшая разность температур между теплоносителями

Dt_d/Dt_M=150°С /80°С =1,875

Так как Dt_d/Dt_M>1,5 , то используем формулу

Dt= (Dt_d- Dt_M )/ln (Dt_d/Dt_M)

Dt = (150°С -80°С)/ ln (150°С /80°С) = 111,36°С

 

4 Расчет среднего коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к стенке a₁

Коэффициенты a₁ и a₂ рассчитываются по уравнениям подобия.

Для расчета коэффициента теплоотдачи  от конденсирующегося водяного пара на горизонтальной трубке используется уравнение подобия.

Nu=0,72(Ga Ku Pr )^0,25(Pr/Pr_c1)^0,25 ,

где Nu=a₁d_нар/l - число Нуссельта, из которого определяется коэффициент теплоотдачи a₁;

    l - коэффициент теплопроводности воды (конденсата), Вт/(м К)

Ga=gd³_нар/n₁² – число Галилея;

    g=9.81 м/с² – ускорение свободного падения;

    n₁ – кинематический коэффициент вязкости, м²/с

Ga₁=9,81 м/с² *(60*10^-3м)³ / (0,191*10^-6м² /с)²=5,81*10¹⁰

Кu=r₁/C_p1(t_н-t_с1) – число Кутателадзе;

    r₁ – теплота парообразования, Дж/кг;

    С_р1 – удельная изобарная теплоемкость конденсата, Дж/(кг К)

    t_с1 – средняя температура стенки, С

Рr=n₁/а₁ – число Прандтля для воды при определяющей температуре t_н

Pr_c1=n_c1/а_с1 – число Прандтля для воды при определяющей температуре t_c1

Таким образом, для определения  коэффициента l₁,необходимо знать величину температуры стенки со стороны пара t_с1. Поскольку эта температура неизвестна, то ей можно задаться, а затем проверить и уточнить. Такой способ определения величины t_с1 называется методом последовательного приближения.

В первом приближении среднюю температуру  стенки со стороны пара можно принять  равной:

t_с1=t_н-Dt/2

t_c1=160°С –111,36°С /2=104,32 °С

r₁ =2082,5  кДж/кг

Ср₁ =4,346 кДж/(кг К)

Ku₁=2082,5  / (4,346 *(160°С –104,32°С)) = 8,61

Числа Прандтля берем из табл.2: Pr₁ при температуре 160°С, а Pr_c2 при температуре 105°С

Pr₁=1,10,    Pr_с1 =1,675

Nu=0,72*(5,81*10¹⁰*8,61 *1)^0,25 *(1/1,675)^0,25   =532,3

Nu=a₁d_нар/l

Из этой формулы выражаем коэффициент  теплоотдачи a₁

a₁=Nul/ d_нар

l при 160 °С равен 68,3*10^-2 Вт/мК  берется из табл.2

a₁=532,3*68,3*10^-2/60*10^-3=6059,35 Вт/м²К

 

5 Расчет среднего коэффициента теплоотдачи от стенки к нагреваемой жидкости a₂

Для определения a₂ необходимо определить режим движения жидкости. За определяющую температур принимается средняя температура жидкости.

t_ж=( t_ж1+ t_ж2)/2, °С

t_ж=(10°С +80°С)/2=45°С

Плотность теплового потока через  стенку:

q=a₁*(t_н - t_с1) =6059,35 *(160°С –104,32 °С) =337384,6 Вт/м²

Средний перепад температур в стенке

∆t_с = qd_c/l₀=337384,6 *0,0025/300=2,81°С

t_с2= t_с1 - ∆t_с =104,32 °С – 2,18°С =101,51°С

Значение числа Re_ж,d, с помощью которого устанавливается режим движения, рассчитывается следующим образом:

Re_ж,d=w_жd_вн /n_ж ,

где w_ж- средняя скорость течения жидкости, м/с

       n_ж - коэффициент кинематической вязкости при температуре 45 ⁰С, м/с

Значение w_ж определяется из уравнения массового расхода:

m₂= w_жWr_ж, кг/с

Из данного уравнения выводим  w_ж

w_ж= m₂/Wr_ж, м/с

где W=pd_вн²/4-площадь поперечного сечения трубы, м²;

      r_ж - плотность жидкости при температуре 45 ⁰С, кг/с

      r_ж=990,15кг/м³

W=3,14*0,054²/4=0,002289м²

w_ж=2,0/(0,002289*990,15)=0,88 м/с

n_ж=0,517*10^-6 м²/с при t=45°C

Re_ж,d=0,88*0,054/(0,517*10^-6)=91914,89

91914,89>10000, следовательно режим турбулентный.

Nu_ж,d=0,021* Re_ж,d^0,8Pr_ж^0,43 *(Pr_ж / Pr_C2)^0,25