Расчет пароводяного теплообменного аппарата

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Ухтинский государственный технический университет 

Кафедра теплотехники, теплогазоснабжения и вентиляции 
 
 
 

Курсовая  работа 

Расчет  пароводяного теплообменного аппарата 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил студент

группы РЭНГМ-1-09 К.А. Мальцева 

Проверил Е.В. Михайленко 
 
 

Ухта 2011

Содержание

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

2 Исходные данные……………………………………………………………….5

3 Тепловой расчет…………………………………………………………………6

4 Гидродинамический  расчет………………………………………………..….12

5 Схема теплообменного  аппарата………………………………………..……14

6 Литература…………………………………………………….……………….15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1 Введение

     Теплообменным аппаратом называют всякое устройство, в котором одна жидкость — горячая  среда, передает теплоту другой жидкости - холодной среде.

     Классификация теплообменников возможна по различным  признакам.

     По  способу передачи тепла различаются  теплообменники смешения, в которых  рабочие среды непосредственно  соприкасаются или перемешиваются, и поверхностные теплообменники - рекуператоры, в которых тепло передается через поверхность нагрева - твердую (металлическую) стенку, разделяющую эти среды.

     По  основному назначению различаются  подогреватели, испарители, холодильники, конденсаторы.

     В зависимости от вида рабочих сред различаются теплообменники:

- жидкостно-жидкостные - при теплообмене между двумя жидкими средами;

- парожидкостные - при теплообмене между паром и жидкостью (паровые подогреватели, конденсаторы);

- газожидкостные - при теплообмене между газом и жидкостью (холодильники для воздуха) и др.

     По  тепловому режиму различаются теплообменники периодического действия, в которых наблюдается нестационарный тепловой процесс, и непрерывного действия с установившимся во времени процессом. 

     Тепловые  процессы, происходящие в теплообменных  аппаратах, могут быть самыми разнообразными: нагрев, охлаждение, испарение, кипение, конденсация, плавление, затвердевание  и более сложные процессы, включающие в себя несколько из перечисленных. В процессе теплообмена может участвовать несколько теплоносителей:  тепло от одного из них может передаваться нескольким и от нескольких одному.

     Применяется в технологических процессах  нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической, газовой и других отраслях промышленности, в энергетике и коммунальном хозяйстве. 

     Тепловой  расчет теплообменных аппаратов является основным необходимым элементом при проектировании теплообменных установок. От того, насколько корректно будет произведен этот расчет, будет зависеть эф-фективность его работы. В промышленности применяют различного вида теплообменники: холодильники, подогреватели, конденсаторы, испарите-ли-кипятильники.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Исходные данные

     Определить  величину поверхности теплообменника и основные размеры вертикального четырехходового трубчатого теплообменника,предназначен для нагрева воды от 35˚С до 90˚С. Вода движется внутри латунных трубок. – коэффициент теплоотдачи ( .  d =16мм - наружный диаметр трубы, d =14мм-внутренний диаметр. Толщина стенки 1 мм, со скоростью 0,7 м/с. Греющим носителем является сухой насыщенный водяной пар с давлением Р=0,27МПа и скоростью 10 м/с, который конденсируется на внешней поверхности трубок. Количество передаваемой теплоты 2900 кВт, потери в окружающую среду не учитывать. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3 Тепловой расчет

Определяем  параметры греющего пара для давления:

Р=0,27МПа׳ 

t_s=130˚C 

Определяем  расход первичного теплоносителя: 

Определяем  расход вторичного теплоносителя:

                 ,

где  с_р2=4,183к Дж/кг˚С- теплоемкость воды при средней температуре t_cp=65˚C.

     Для расчета коэффициента теплоотдачи  к внешней поверхности трубки при конденсации пара надо знать  температуру внешней поверхности стенки и высоту трубки. Эти значения неизвестны, поэтому расчет проводим методом последовательных приближений. Определяем среднелогарифмический температурный напор. 

Задаемся  температурой стенки в первом приближении: 

Задаемся  также высотой трубок Н=2м.

Приведенная высота поверхности (длина трубки):

;   =130˚-100˚=30˚С.

При t_s=130˚C  A=82 1\(м ˚С), В=8,47 м/Вт.

Z=30*2*82=4920>2300

Режим течения пленки конденсата турбулентный.

     При пленочной конденсации сухого насыщенного  пара и смешанном режиме течения  пленки конденсата средний по длине  коэффициент теплоотдачи определяют по формуле:

                    Re₁=[253+0,069^0,25        (3.1)

Здесь Pr и Pr_cт – числа Прандтля для конденсата

При t_s=130˚C  Pr=1,36, при =100˚С  Pr_cт =1,75

Re₁=[253+0,069^0,25=3452.

Учитывая, что Re₁= находим:

                    = = 6793 Вт/   (3.2)

Определим коэффициент теплоотдачи к воде.

Среднеарифметическая  температура воды: 

При физические свойства воды: 

Число Рейнольдса для вторичного теплоносителя (вода) 

Режим движения воды турбулентный, поэтому  число Нуссельта рассчитывают по формуле:

                e_ж2^0,80,43              (3.3)

Перепад температур по толщине стенки оцениваем  в 1 , тогда

  и P

^0,80,43

     ⁽³.4)

Коэффициент теплоотдачи от пара к воде: 

Средняя плотность теплового потока:

       =2867

Поверхность теплообмена в первом приближении:

       F=

Число трубок в одном ходе:

       m= ] =

Число ходов 4 и всего трубок n=4*109=436

Высота  трубок в первом приближении:

     (3.5)

Температура стенок трубок: 
 
 

Полученные  значения величин H, отличаются более чем на 10 %, поэтому производим повторный расчет, принимая Н=0,8 м, . 

Повторный расчет

Пусть приведенная высота поверхности (длина  трубки) равна:

         Z =

Режим течения пленки конденсата ламинарный, поэтому расчет ведем по формуле:

         R     (3.6) 

Для вторичного теплоносителя при

Ne_ж2^{0,80,43=0,021(2,}23

Коэффициент теплоотдачи: 

Коэффициент теплопередачи: 
 

Средняя плотность теплового потока:

        =2896

Поверхность теплообмена:

        F=

Число трубок в одном ходе  m

Всего трубок n=4*109=436 сохраняются прежними.

Высота  трубок во втором приближении: 
 

Температура стенок трубок: 
 

Совпадение  полученных значений с ранее принятыми  лежит в пределе точности расчета, таким образом, окончательно принимаем  F=16,7 и H=0,8м.

       Определяем  внутренний диаметр корпуса теплообменника:

          =1,1 = 712мм                (3.7)

В данном случае выбираем шаг труб S=1,5 и коэффициент заполнения трубной решетки

Определяем  диаметры патрубков:

- парового

          =1,125      (3.8)

При t₁=130˚C

- водяного

          =1,125    (3.9) 
 
 

          4 Гидродинамический расчет

     Гидравлическое  сопротивление пароводяных подогревателей по межтрубному пространству при  конденсации пара на пучке вертикальных или горизонтальных трубок, как правило, не определяется. Величина такого сопротивления  при нормальной эксплуатации теплообменных  аппаратов, работающих с небольшими скоростями греющего пара до 10 м/с в межтрубном пространстве, очень мала.

Для вторичного теплоносителя (вода):

     (4.1)

Сопротивление трения:

Коэффициент сопротивления трения: 
 

Местные сопротивления:

      (4.2)

Коэффициенты  местных сопротивлений равны:

- удар  и поворот потока во входной  и выходной камерах

- вход  воды из камер в трубки и выход из трубок в камеры

- поворот  на угол 180˚ в камерах

Суммарный коэффициент равен:

=3+8+7,5=18,5

Местные сопротивления: 

Общее сопротивление вторичного теплоносителя: 

Мощность, необходимая для перемещения  теплоносителя:

  (4.3) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5 Литература

1 В.И. Крутов редактор, Теплотехника, 1986 г.

2 А.П. Баскаков, редактор. Тепплотехника..1991 г.