Материал: Расчет теплообменного аппарата

Расчет теплообменного аппарата

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО «Уральский Федеральный Университет

им. первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Уральский Энергетический Институт

Кафедра «Теплоэнергетики и теплотехники»

Курсовой проект

по дисциплине: «Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий»

Расчет теплообменного аппарата

Екатеринбург

1. Тепловой конструктивный расчет

Ориентировочно по существующим конструкциям выбираем:

Наружный диаметр трубок d_нар=18 мм,

Внутренний диаметр трубок d_вн=16 мм.

Выбираем оптимальную скорость теплоносителя внутри трубок: ω₀ = 1,5 м/с.

Определяем число трубок.

Температурный напор.

⁰С,

⁰С

⁰С

,35^оС - температура насыщения при давлении P_изб = 0,8 МПа

 ⁰С

Найдем средние температуры теплоносителей. При противотоке считают допустимым определять среднюю температуру теплоносителя с меньшим температурным перепадом как среднеарифметическую, а среднюю температуру другого теплоносителя по формуле .

⁰С

Теплоемкость воды и ее плотность определяется по средней температуре из таблиц:

с₂ = 4,174 кДж/(кг∙К);

ρ₂ = 988 кг/м³;

Определяем тепловую мощность.

Q_в==кВт.

Расход воды G_в=50 м³/ч = 13,89 кг/с

Число труб

Принимаем число трубок N=46, уточняем скорость:

Расположение трубок в трубной решетке: по вершинам равностороннего треугольника.

Шаг между центрами трубок:

t = d_н∙1,5=0,018∙1,5=0,027 м.

. Определение внутреннего диаметра корпуса

Положение крайних трубок.

 м.

Внутренний диаметр:

 м

Принимаем внутренний диаметр корпуса по ГОСТ 9617-76: D_вн=0,209 м.

Уточняется число трубок аппарата конструктивно. Уточненное число трубок в одном ходу N=58 шт. Всего ходов - 2.

Действительная скорость воды в трубках:

Для насыщенного водяного пара скорость в межтрубном пространстве не проверяется.

. Определение коэффициента теплопередачи

При d_ср/δ≥2

 - теплопроводность материала из которого изготовлена трубка для латуни, = 104,7 Вт/м×К;

- толщина стенки трубки, м.

Определение коэффициента теплоотдачи от трубок к воде a₂ (вынужденное течение внутри трубок):

=5,65·10^-7 - кинематическая вязкость при t^ср_в = 48,83 ^оС;

=4 (при t^ср_в = 48,83 ^оС)

=1,58 (при t^ср_ст = 112,09^оС (принимается предварительно))

l_ж1=0,638 Вт/(м×К) - теплопроводность воды при средней температуре.

Определение коэффициента теплоотдачи от пара к трубкам a₁ (пленочная конденсация на горизонтальной трубе):

где l_ж = 0,685 Вт/м×К - теплопроводность пленки конденсата;

ρ= 948,1 кг/м³ - плотность конденсата;

g = 9,81 м²/с - ускорение свободного падения;

r = 2067 Дж/кг - удельная теплота парообразования;

=0,0002274 Н·с/м² - коэффициент динамической вязкости конденсата;

; Δt= 175,35-112,09=63,26 ⁰С;

Пересчитаем температуру стенки:

Погрешность в определении температуры стенки:

Δ=, что не превышает 5 %.

Коэффициент теплопередачи:

где δ=0,001м - толщина стенки трубки.

Определение площади поверхности нагрева и размеров ее элементов.

м;

K=

D_вн=0,416 м.

Выбираем наружный диаметр корпуса из ряда стандартных наружных диаметров D_н = 426 мм.

. Определение диаметров патрубков

диаметр патрубка для пара:

, м

G_п =Q/(h”-h’)=2577,45/2030=1,27 кг/с - расход пара;

ν_п =0,2149 м³/кг - удельный объем пара;

w_п - скорость пара, м/с, принимаем 30 м/с.

м.- диаметр патрубка для нагреваемой воды:

=м

=м

_к - скорость конденсата в патрубке, принимаем 1,5 м/с.

Диаметры патрубков выбираем из ряда стандартных диаметров по ГОСТ 10704-91:

диаметр патрубка для пара принимаем 0,108 м,

диаметр патрубка для нагреваемой воды принимаем 0,114 м,

диаметр патрубка для конденсата принимаем 0,038 м.

5. Гидравлический расчет

Гидравлический расчет теплообменного аппарата сводится к определению потерь давления по тракту каждого теплоносителя от входа в аппарат до выхода из него.

Общее падение давления по тракту складывается из потерь давления в элементах аппарата: входных и выходных патрубках, камерах и коллекторах, в трубных пучках и т.п. Для удобства расчета все составляющие полной потери давления условно разделяют на сопротивление трения при проходе жидкости по линейным участкам тракта аппарата и местные сопротивления, обусловленные наличием в теплообменнике локальных препятствий, изменяющих направление, форму и скорость потока жидкости.

В общем виде полное сопротивление подсчитывается по формуле

,

где - сопротивление трения;

- местные сопротивления.

Сопротивление линейных участков - это, прежде всего, сопротивление входного, выходного патрубков и сопротивление, обусловленное течением в трубном пучке, для одного теплоносителя и омыванием трубного пучка для другого. Линейная длина патрубков подвода теплоносителя, как правило, несоизмеримо мала по сравнению с длиной трубного пучка, поэтому сопротивлением патрубков пренебрегают. В этом случае падение напора потока теплоносителя может быть посчитано по формуле

,

где L - полная длина пути жидкости в аппарате, м;

w - средняя скорость движения теплоносителя, м/с;

ρ - плотность теплоносителя при средней температуре, кг/м²;

d_э - эквивалентный диаметр канала, м;

- коэффициент сопротивления трения.

Расчет линейного сопротивления трения для воды:

d_э = d_вн=0,016 м;

 = 1,4 м/с;

ρ = 988 кг/м³ (при средней температуре воды);

=1,2 м;

ΔP_тр1= Па.

Местные сопротивления определяются как арифметическая сумма всех сопротивлений. К последним относятся повороты потока, участки огибания перегородок, изменение сечения для прохода жидкости и др., причем каждое местное сопротивление  рассматривается отдельно друг от друга, а затем результаты суммируются:

.

Сопротивления поворотов на 90° и на 180° окажутся несоизмеримо малыми по сравнению с остальными из-за малой величины скорости потока в этих местах - скорость резкого упадет при расширении потока. Ими можно пренебречь.

В инженерных расчетах местные сопротивления определяются по формуле

где ξ - коэффициент местного сопротивления.

Расчет ΔP_мс1 - сопротивление от внезапного расширения потока при входе в распределительную камеру.

Коэффициент сопротивления при внезапном расширении потока:

,

где  и - большее и меньшее сечение потока соответственно.

F_б= м²;

F_м=м²

- площадь поперечного сечения входного патрубка;

=;

м/с;

ΔP_мс1= Па.

Расчет ΔP_мс2 - сопротивление от внезапного сужения потока при входе в трубки теплообменного пучка.

Коэффициент сопротивления при внезапном сужении потока:

,

где Е - степень сжатия потока;

F_м=N м²;

_б = 0,0628 м²;

м/с;

;

;

Расчет ΔP_мс3 - сопротивление от внезапного расширения потока при выходе из трубок первого хода.

F_б=0,0628 м²;

=;

 м/с;

ΔP_мс3= Па.

ΔP_мс4=Па

Расчет ΔP_мс4 - сопротивление от внезапного сужения потока при входе потока в трубки второго хода

F_м=0,01 м²;

F_б=0,0628 м²;

;

;

м/с

Расчет ΔP_мс5 - сопротивление от внезапного расширения потока при выходе из трубок второго хода.

F_б=0,0628 м²;

F_м=0,01 м²;

=;

 м/с;

ΔP_мс5= Па.

Расчет ΔP_мс6 - сопротивление от внезапного сужения потока при входе в патрубок.

,

где Е - степень сжатия потока;

ΔP_мс6= Па.

F_м  м²;

F_б = 0,0628 м²;

м/с;

;

;

Суммарное местное сопротивление воды:

ΔP_мс == 659+364,06+691,06+364,06+691,06+364,06=3133,3 Па.

ΔP = ΔP_тр + ΔP_мс = 4139+3133,3 = 7272,3 Па

Гидравлические испытания аппаратов производятся после выполнения всех сварочных и сборочных работ с целью проверки прочности деталей, и плотности сварных и разъемных соединений. Испытания проводят чистой водой, которую закачивают с помощью гидравлического насоса в аппарат до давления, регламентированного рабочим чертежом. Время выдержки под пробным давлением для аппаратов с толщиной стенки до 50 мм должно быть равным 10 минут. После снижения давления до рабочего необходимо тщательно осмотреть все швы, прилегающие к ним участки и другие сомнительные места аппарата с целью обнаружения возможной течи и разрывов.