Тепловой и гидромеханический расчет теплообменного аппарата рекуперативного типа

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное  учреждение высшего  профессионального  образования

АМУРСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

(ГОУ  ВПО «АмГУ») 
 

Кафедра Энергетики 
 
 
 
 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

на тему: Тепловой и гидромеханический расчет теплообменного аппарата рекуперативного типа.

по дисциплине: Теоретические основы теплотехники. Тепломассообмен. 
 
 

Исполнитель:

студент 545 группы                     _____________  
 
 

Руководитель:

док. техн. наук, профессор          _____________  
 
 

Рецензент

ст. преподаватель:                       _____________  
 
 
 

Нормоконтроль:                           _____________  
 
 
 
 

Благовещенск 2007

 

 
РЕФЕРАТ 

     Работа  21 с., 3 рисунка, 3 источника, 2 приложения. 

     Теплообменный аппарат типа труба в трубе, тип движения теплоносителей прямоток, тепловой расчет аппарата, гидромеханический расчет, потери напора, объемный расход теплоносителя, число секций теплообменника. 

     Цель  данной курсовой работы провести тепловой расчет, т.е. определить тепловой поток через стенку, количество секций и общую длину труб теплообменного аппарата, при известной длине трубы одной секции; а так же гидромеханический расчет, т.е. определение потерь напора теплоносителей, проходя через теплообменник, а так же определение мощностей насосов, подающих горячий и холодный теплоносители. 

 

      СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ 5

1 Тепловой  расчет 8

 1.1 Определение  теплофизических свойств воды 8

 1.2 Определение режима движения жидкостей и коэффициентов

      теплоотдачи теплоносителей 9

 1.3 Определение  теплового потока через стенку 11

 1.4 Определение  площади поверхности и числа секций теплообменника 12

 1.5 Определяем  погрешность вычислений 12

 1.6 Дополнительное задание 13

2 Гидромеханический  расчет 15

 2.1 Определение  потерь напора 15

 2.2 Определение объемного расхода теплоносителей 17

 2.3 Определение мощностей насосов 17

Заключение 18

Библиографический список 19

Приложение А Схема теплообменника труба в трубе 20

Приложение Б Диаграмма распределения температур

                         в теплообменнике с прямотоком 21 
 

 

      ВВЕДЕНИЕ 

     Теплообменные аппараты используются для передачи тепла от одного теплоносителя к  другому. Теплоноситель, имеющий более  высокую температуру и отдающий тепло, называется горячим; теплоноситель, обладающий более низкой температурой и воспринимающий тепло, – холодным.

     Все теплообменные аппараты по способу  передачи тепла делятся на две  большие группы: поверхностные и  контактные.

     В поверхностных аппаратах теплоносители  отделены друг от друга твердой стенкой (рекуперативные), либо поочередно контактируют с одной и той же стенкой (регенеративные). Такую стенку называют поверхностью теплообмена.

     В рекуперативном аппарате одна сторона поверхности теплообмена всегда омывается горячем теплоносителем, другая – холодным. Тепло передается от одного теплоносителя к другому через разделяющую их стенку. Направление теплового потока в стенке остается постоянным.

     В регенеративном аппарате одна и та же поверхность теплообмена омывается  попеременно то одним, то другим теплоносителем. В период нагрева поверхность теплообмена контактирует с горячим теплоносителем и аккумулирует тепло, которое в период охлаждения отдает холодному теплоносителю. Направление теплового потока в стенках аппарата периодически меняется. В качестве насадки в таких аппаратах могут использоваться шары, кольца, мелкие трубы, собранные в плотный пучок, иногда кирпичная кладка. Достоинствами таких аппаратов являются возможность размещения большой поверхности в единице объема (большая компактность) и работы при высоких температурах (при использовании в качестве насадки высокотемпературных материалов). Недостатками являются: плохая герметичность, невозможность работы при высоких давлениях рабочих тел.

     В контактных теплообменных аппаратах  передача тепла происходит при непосредственном контакте теплоносителей и сопровождается массообменном. В аппаратах смесительного типа горячий и холодный теплоносители перемешиваются и образуют растворы или смеси (например, скрубберы или смесители горячей и холодной воды, используемые в системах водоснабжения). В аппаратах барботажного типа теплоносители находятся в разных фазах и при контакте обмениваются теплом, практически не перемешиваясь между собой. Например, в градирнях капли разбрызгиваемой воды охлаждаются встречным потоком холодного воздуха, а в барботерах горячий пар охлаждается, поднимаясь через слой жидкости. Аппараты контактного типа не могут применяться, если рабочие среды имеют разные давления или вообще не могут перемешиваться.

     Аппараты  контактного и регенеративного  типов не нашли широкого применения на практике. Основным типом теплообменников, используемых в различных областях науки и техники, по-прежнему остаются рекуперативные аппараты.

     В данной курсовой работе и будет произведен поверочный расчет рекуперативного  теплообменного аппарата.

     Рекуперативные аппараты можно классифицировать:

     1 по взаимному направлению потоков  теплоносителей:

• прямоточные (прямоток), когда оба теплоносителя движутся параллельно в одном направлении;
• противоточные (противоток), когда теплоносители движутся в противоположных направлениях;
• с перекрестным током – теплоносители движутся во взаимно перпендикулярных направлениях;
• с более сложными схемами различного сочетания прямотока, противотока и перекрестного тока.

     2 по роду теплоносителей:

• аппараты, в которых оба теплоносителя не меняют своего агрегатного состояния (газо-газовые, жидкостно-жидкостные, газожидкостные);
• аппараты, в которых меняется агрегатное состояние одного теплоносителя, – конденсаторы (горячего теплоносителя), парогенераторы, испарители (холодного теплоносителя);
• аппараты, в которых изменяются агрегатные состояния обоих теплоносителей.

     3 по конструктивному оформлению:

• трубчатые;
• трубчато-ребристые;
• пластинчатые;
• пластинчато-ребристые;
• трубчато-пластинчатые.

     Наиболее  распространенной конструкцией являются трубчатые аппараты. Простейший теплообменник – типа труба в трубе – состоит всего из одной трубы, которая внутри омывается одним теплоносителем, а снаружи – другим, который протекает в кольцевом пространстве между теплообменной трубой и кожухом.

 

       1 ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ 

     1.1 Определение теплофизических свойств воды

     Теплофизические свойства воды находятся по таблице, ориентируясь по средней температуре. В данном случае нам неизвестна температура  греющей воды на выходе. Потери теплоты  минимальны и составляют всего два  процента.

     Количество  теплоты, отдаваемое, в данном теплообменом аппарате, горячим теплоносителем (греющей водой) равно:

      , (1)

      .

     Температура горячего теплоносителя (греющей воды) на выходе в теплообменный аппарат составляет:

      , (2)

      .

     Определяем  среднюю температуру горячего теплоносителя (греющей воды):

       (3)

      .

     Физические  свойства горячего теплоносителя (греющей воды) при средней температуре по таблице «Физические свойства воды на линии насыщения»[1].

      ;

      ;

      ;

     

      .

     Средняя температура холодного теплоносителя (нагревающейся воды):

      , (4)

      .

     Физические  свойства холодного теплоносителя (нагревающейся воды) при средней температуре по таблице «Физические свойства воды на линии насыщения»[1].

      ;

      ;

      ;

     

      .

     1.2 Определение режима движения жидкостей и коэффициентов теплоотдачи теплоносителей

     Для определения режима течения теплоносителей, определим скорости их движения:

      ; (5)

      ;

      . (6)

      .

     Число Рейнольдса для горячего теплоносителя (греющей воды):

      . (7)

      .

     Число Рейнольдса для холодного теплоносителя (нагревающейся воды):

      , ⁽⁸⁾

^где 

      .

     Так как режим движения горячего теплоносителя  турбулентный, то для расчета критерия Нуссельта применяем формулу академика Михеева:

      , (9)

где  .

      Так как температура стенки неизвестна, то в первом приближении принимаем ее равной:

      , ⁽¹⁰⁾

      .

     По  этой температуре определяем .

      .

     Определяем  коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя (греющей воды) к стенке трубы:

      , (11)

      .

     Так как температура второй стенки неизвестна, принимаем, что , следовательно .

     Расчет  числа Нуссельта и коэффициента теплоотдачи для холодного теплоносителя (нагревающейся воды) ведем по формулам для теплоотдачи при турбулентном сечении в каналах кольцевого сечения:

      , (12)

      .

     Определяем  коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагревающейся воде:

      , (13)

      .

     1.3 Определение теплового потока через стенку

     Коэффициент теплопередачи для аппарата:

      , (14)

где  .