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;

2) выбрать вид критериального уравнения для потоков;

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

4) найти коэффициент теплопередачи для аппарата;

5) составить уравнение теплового баланса;

6) определить конечную температуру теплоносителей;

7) определить среднюю логарифмическую разность температур;

8) найти плотность теплового потока в теплообменнике;

9) найти поверхность нагрева теплообменного аппарата.

10) 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 щ₁). Греющая вода движется по внутренней трубе с диаметрами d₁ и d₂. Коэффициент теплопроводности трубы л_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 щ₁).

Потерями от теплообменника в окружающую среду пренебречь.

Физические свойства нагревающей и нагреваемой воды с₁ и с₂ (кг/м³), н₁ и н₂ (м²/с), л₁ и л₂ (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=щd/н Для первого теплоносителя

Re₁=щ₁ d₁/н₁

Определяем расход воды

G=m/с

G₁=m₁/ с₁=1/973=0.001м³/с Скорость потока щ₁=G/F

Для кольцевого сечения

F=р (D²-d₁²)4

щ₁=G₁/F₁=0.001*4/ р (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=193 957 >4000 поток турбулентный Для второго теплоносителя

Re₂=щ₂ d₂/н₂=0.8*0.039/0.777*10⁶=40 154 >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=н/a, a=л/cс Для жидкости

a₁= л₁/cс₁=0.674/973*4190=1.65*10^-7 м²/с

Pr_ж1=н₁/a₁=0,374*10^-6/1,65*10^-7=2,26

Для стенки

a_ст= л_ст/cс₁=70/973*4190=1,71* 10^-5 м²/с

Pr_ст1=н₁/a_ст=0,374*10^-6/1,71*10^-5=0,02

Nu₁=0.021*(193 957)^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= л₂/cс₂=0.62/995*4190=1.49*10^-7 м²/с

Pr_ж1=н₂/a₂=0,777*10^-6/1,49*10^-7=5.21

Для стенки

a_ст= л_ст/cс₂=70/995*4190=1,68*10^-5 м²/с

Pr_ст2=н₂/a_ст=0,777*10^-6/1,68*10^-5=0,046

Nu₂=0.017*40 154 ^0,8*5,21^0,4(5,21/0,046)^0,25*(0,054/0,039)^0,18=546,4

3. Определение Коэффициентов теплоотдачи б= (Nu* л)/d

б₁= (Nu₁* л₁)/d₁ =(1651,5*0,674)/0,036=30 919,75 Вт/(м²*К) б₂= (Nu₂* л₂)/d₂=(546,4*0,62)/0,039=8686,35 Вт/(м²*К);

4. Нахождение коэффициента теплопередачи

k=

k==710,22

гдеб₁ — коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к стенке;

d₁— диаметр внутренней трубы, м л_ст — коэффициент теплопроводности стенки, Вт/(м*К) б₂ — коэффициент теплоотдачи от стенки к холодному теплоносителю

d₂— диаметр наружной трубы, м

5. 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')

m= с*G — массовый расход воды теплоносителя

G= щ*F — расход воды

G₂= щ₂*F₂= щ₂*р*d₂²/4=0.8*3.14*0.039²/4=9,55*10^-4 м³/с

m₂= с₂*G₂=995*9.55*10^-4=0,95 кг/с

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

7. 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

9. Вычисление длины теплообменника и количества секций Длина теплообменника

l=F/рd₁=5.7/3.14*0.036=50.42 м Количество секций За длину секции примем l_c= 1,708 м

n=l/l_c=50.42/1.575=32 секции

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

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

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