Конструкторский расчет теплообменного аппарата

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южно-Уральский Государственный Университет»

Факультет «Автотракторный»

Кафедра «Автомобильный транспорт и сервис автомобилей»

Конструкторский расчет теплообменного аппарата

дисциплина «Теплотехника»

Руководитель доц. Юртаев М.А.

Автор Ульмаскулов Р.Ф.

Челябинск 2013

Аннотация

В данной работе выполняется конструкторский расчет теплообменного аппарата. Вычисляется поверхность нагрева теплообменного аппарата, длина теплообменника и количество секций

Так же определяется характер течения горячего и холодного теплоносителей в каналах теплообменника, выбирается вид критериального уравнения для потоков, оцениваются значения коэффициентов теплоотдачи для теплоносителей как от горячего к стенке, так и от стенки к холодному; находятся коэффициенты теплопередачи для аппарата; составляется уравнение теплового баланса; определяется конечную температуру теплоносителей; определяется средняя логарифмическая разность температур; вычисляется плотность теплового потока в теплообменнике; вычисляется поверхность нагрева теплообменного аппарата, длину теплообменника и количество секций.

1)      определить характер течения горячего и холодного теплоносителей в каналах теплообменника;

)        выбрать вид критериального уравнения для потоков;

)        оценить значения коэффициентов теплоотдачи для теплоносителей как от горячего к стенке, так и от стенки к холодному;

)        найти коэффициент теплопередачи для аппарата;

)        составить уравнение теплового баланса;

)        определить конечную температуру теплоносителей;

)        определить среднюю логарифмическую разность температур;

)        найти плотность теплового потока в теплообменнике;

)        найти поверхность нагрева теплообменного аппарата.

)        найти длину теплообменника и количество секций

Введение

рекуперативный теплообменный аппарат канал

В водоводяном теплообменнике типа «труба в трубе» определить поверхность нагрева, если греющая вода поступает с температурой t’₁ и ее расход равен т₁(или скорость равна ω₁). Греющая вода движется по внутренней трубе с диаметрами d₁ и d₂. Коэффициент теплопроводности трубы λ_ст.

Нагреваемая вода движется по кольцевому каналу между трубами и нагревается от температуры t’₂ до t’’₂ . Внутренний диаметр внешней трубы равен D. Расход нагреваемой воды т₂(или скорость течения равна ω₁).

Потерями от теплообменника в окружающую среду пренебречь.

Физические свойства нагревающей и нагреваемой воды ρ₁ и ρ₂ (кг/м³), ν₁ и ν₂ (м²/с), λ₁ и λ₂ (Вт/мК) приведены в таблице. Направление потоков указаны символами →→(прямоток) и →←(противоток).

Таблица 1 - Исходные данные: вариант- 6

Расчет теплообменника

1. Характер течения определяется по критерию Рейнольдса

Re=ωd/ν

Для первого теплоносителя

Re₁=ω₁ d₁/ν₁

Определяем расход воды

G=m/ρ

G₁=m₁/ ρ₁=1/973=0.001м³/с

ω₁=G/F

Для кольцевого сечения

F=π(D²-d₁²)4

ω₁=G₁/F₁=0.001*4/ π(0.054²-0.036²)=0.78 м/с

Для кольцевого канала находим эквивалентный диаметр

d_э==D+d₂

d_э=4(3.14*0.054²/4-3.14*0.036²/4)/3.14*(0.054-0.036)=0.093м

Re₁=0.78*0.093/0.374*10^-6=193957 >4000 поток турбулентный

Для второго теплоносителя

Re₂=ω₂ d₂/ν₂=0.8*0.039/0.777*10⁶=40154 >4000, поток турбулентный

2. Выбор критериального уравнения

Для турбулентного режима (Re>10⁴)

Nu=0.021Re^0.8Pr_ж^0,43(Pr_ж/Pr_ст)^0,25

где Pr=ν/a, a=λ/cρ

Для жидкости

a₁= λ₁/cρ₁=0.674/973*4190=1.65*10^-7 м²/с

Pr_ж1=ν₁/a₁=0,374*10^-6/1,65*10^-7=2,26

Для стенки

a_ст= λ_ст/cρ₁=70/973*4190=1,71* 10^-5 м²/с

Pr_ст1=ν₁/a_ст=0,374*10^-6/1,71*10^-5=0,02

Nu₁=0.021*(193957 )^0,8*2,26^0,43( 2,26/0,02)^0,25=1651,5

Для кольцевого канала

Nu=0.017Re^0.8Pr_ж^0,4(Pr_ж/Pr_ст)^0,25(D/d₂)^0.18

Для жидкости

a₂= λ₂/cρ₂=0.62/995*4190=1.49*10^-7 м²/с

Pr_ж1=ν₂/a₂=0,777*10^-6/1,49*10^-7=5.21

Для стенки

a_ст= λ_ст/cρ₂=70/995*4190=1,68*10^-5 м²/с

Pr_ст2=ν₂/a_ст=0,777*10^-6/1,68*10^-5=0,046

Nu₂=0.017*40154 ^0,8*5,21^0,4( 5,21/0,046)^0,25*(0,054/0,039)^0,18=546,4

. Определение Коэффициентов теплоотдачи

α= (Nu* λ)/d

α₁= (Nu₁* λ₁)/d₁ =(1651,5*0,674)/0,036=30919,75 Вт/(м²*К)

α₂= (Nu₂* λ₂)/d₂=(546,4*0,62)/0,039=8686,35 Вт/(м²*К);

. Нахождение коэффициента теплопередачи

k=

k==710,22

гдеα₁ - коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке;

d₁- диаметр внутренней трубы, м

λ_ст - коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м*К)

α₂ - коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю

d₂- диаметр наружной трубы, м

. Уравнение теплового баланса

Q₁=m₁C₁(t₁’-t₁’’)=m₂C₂(t₂’’-t₂’)

C₁=C₂ т.к. обе жидкости - вода

m₁(t₁’-t₁’’)=m₂(t₂’’-t₂’)

6. Определение конечной температуры

t₁’’=t₁’ - (t₂’’-t₂’)= ρ*G - массовый расход воды теплоносителя

G= ω*F - расход воды

G₂= ω₂*F₂= ω₂*π*d₂²/4=0.8*3.14*0.039²/4=9,55*10^-4 м³/с

m₂= ρ₂*G₂=995*9.55*10^-4=0,95 кг/с

t₁’’=t₁’ - (t₂’’-t₂’)=98-0,95/1(41-17)=75,2 °С

. Определение средней логарифмической разности температур

Для прямотока

==23,63

8. Вычисление плотности теплового потока в теплообменнике

Q=Kl(t₂-t₁)

т.к. величины имеют данную размерность F[м²], К[Вт/мК], то

m₁C₁(t₁’-t₁’’)= Kl

l= m₁C₁(t₁’-t₁’’)/ K=1 *4190(98-75,2)/710,22*23,63=5.7 м

. Вычисление длины теплообменника и количества секций

Длина теплообменника

l=F/πd₁=5.7/3.14*0.036=50.42 м

Количество секций

За длину секции примем l_c= 1,708м

n=l/l_c=50.42/1.575=32 секции

Литература

1.      Теплотехника/ В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер - М: Высшая школа, 2008. - 671 с.

.        Лариков, Н.Н. Общая теплотехника/ Н.Н. Лариков. - М: литературы по строительству. 1966. - 446 с.

.        Теплотехника/ под ред. А.П. Баскакова, - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.