Государственный Политехнический Университет

Санкт- Петербургский

Государственный Политехнический Университет

Кафедра «Теоретические основы теплотехники»

РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Пояснительная записка

Курсовая работа

Студент группы 3034/1______________________________ Чу Ван Чунг

Руководитель ______________________________проф. Бариллович А.В.

Санкт-Петербург

-2012-

ОГЛАВНЕНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ.. - 2 -

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ.. - 3 -

3. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ.. - 4 -

3.1 Определение среднего температурного напора. - 4 -

3.2 Определние теплообменного расхода воды.. - 6 -

3.3 Определение коэффициента теплоотдачи. - 8 -

4. КОМПОНОВКА ТРУБНОГО ПУЧКА.. - 11 -

4.1 Определение основных параметров пучка. - 11 -

4.2 Определение количества трубок в пучке. - 13 -

4.3 Определение числа ходов теплообменика. - 14 -

4.4 Уточнение результатов. - 15 -

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ. - 15 -

5.1 Расчет гидравлического сопротивления при течении воды.. - 16 -

5.2 Расчет гидравлических потерь давления воздуха. - 17 -

6. ЛИТЕРАТУРА.. - 19 -

1. ВВЕДЕНИЕ

Теплообменные аппараты различных типов широко используют почти во всех отраслях промышленности. По приципу действия теплообменные аппараты раздедяют на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

Из всего многобразия типови конструкций теплообменных аппаратов в качестве объекта теплового и гидравлического расчета выбирем рекуперативные воздухоохладители. Воздухоохладители играет важную роль в энергомашиностроении и широко применяются. Расчету именно этих теплообменных аппаратов и посвящена курсовая работа. Воздухоохладители успольдуются как в компрессорных установках, предназначенных для сжатия воздуха в технологических целах, так и в компрессорах газотурбинных установок. В зависимости от назначения воздухоохладители могут существенно различаться по конструкции и размерам. В этой работе предусмотрен расчет воздухоохладители с умеренным расходом воздуха.

а)

б)

в)

Рис 1. Диаграммы процессов сжатия в компрессорной установке с промежуточным охладителем:

а) схема установки

б) идеальный просцесс сжатия

в) реальный процесс сжатия

0-1’ – процесс сжатия в компрессоре низкого давления (К1)

1’-1’’ – процесс ожлаждения рабочего тела в воздухоохлодители

1’’-2 – процесс сжатия в компрессоре высокого давления (К2)

2. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Таблица 1
Вариант N^09 – внешние параметры воздухоохладителя
Обозначение	Единицы измерения	Наименование	Значение
	кг/с	Масовый расход воздуха
P1	бар	Давление воздуха при входе
	град	Температура воздуха при входе
	град	Температура воды при входе
	град	Температура воды на выходе из ТА
ε	град	Тепловая эффективность ТА	0,86
ΔP/P1	-	Максимальная величина потери давления в воздушном тракте	5%
Пучок N^0	-	Оребренняя шахматная пучка
с1	м/с	Скорость происхождения воздуха по каналам	19,3
Характеристики шахматного пуча, составленного из труб c оребреием
материал	-	Алюминий
d	мм	Наружный диаметр трубы	16,4
D	мм	Наружный диаметр ребра	28,5
di	мм	Внутренний диаметр трубы	14,4
δp	мм	Тощина ребра	0,25
Sp	мм	Шаг оребрения	3,6
S1		Поперечный шаг труб в пучке	31,3
S2		Продольный шаг труб в пучке	34,3

Для алюминия теплопроводность λ=180 Вт/(м.К) и плотность ρ=2700 кг/м³

Время работы ТА без очистки τ = 5000ч.

3. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

3.1 Определение среднего температурного напора

Для определения среднего температурного напора между теплоносителями необходимо задать принципиальную схему их движения в аппарате. Мы будем рассматривать в случае противоточной и перекретной током схем.

Рис 2. Противоточная схема теплообменников

Рис 3. Перекрестной током схема теплообменников

Зависимость от перепадов температур между теплоносителями определяется выражением:

Где называется среднелогорифмическим температурнфм напором.

- наибольший и наименьший температурные напоры, которые показаны на рис. 4.

Рис 4. Зависимость температуры теплоносителей от теплоемкости массовых расходов для противоточной схемы

Из определения эффективности (кпд) теплообменника

Получаем температуру воздуха на выходе ТА

Наименьшая разность температур

Наименьшая разность температур

имеем

Расчет среднего температурного напора для перекрестных схем движения теплоносителей выполняют в 2 приема: определение для прототивоточной схемы согласно (1), а затем вычисляют вспомогательные параметры:

По значениям этих параметров соответствующего графика [1,с16]получим ε_Δt=1.

Тогда средний температурный напор при перекрестном токе

3.2 Определение теплообменного расхода воды

Средняя температура воздуха и вода

При и имеем физические свойства [1,c69]

Таблица 2
	Воздух	Вода
	Град	134,102
ρ	кг/м^3	0,854	996,95
i	кДж/кг	-	167,68
Cp	кДж/(кг.К)	1,013	4,1785
λ	Вт/( К)	3,49.10^-2	60,85.10^2
а	м^2/с	40,3.10^-6	14,6.10^8
µ	Па.с	23,7.10^-6	902,75.10^6
ν	м^2/с	27,8.10^-6	0,9055.10^6
Pr	-	0,684	6,22

Уравнение тепловых балансов горячего и холодного теплоносителей:

где , – массовый расходы, кг/с

- начальные и конечные энтальпии горячего (1) и холодного теплоносителей (2), Дж/(кг.К)

Обменная теплота

Расход вода:

Теплоемкость массового расхода вода и воздуха

Число N – возможности переноса теплоты параметра определяется

Вычисляем N по формуле:

Коэффициент оребрения φ определяется по формулы:

где F₁ - Площадь наружной поверхности неоребрения трубки на шаге

F_рс - Площадь поверхности оребрения трубки на шаге

F_с- Площадь стенки без учета ребёр

- Площадь всех ребер

Рис 5. Элемент оребренной металлической трубки

Коэффициент оребрения

3.3 Определение коэффициента теплоотдачи

Из курса теории тепло- и массообмена

где k- коэффициент теплопередачи, отнесенный к наружной поверхности F₁ несущей гладкой трубы

α₁, α₂ – средние коэффициент теплопередачи со стороны воздуха и воды

λ_р, λ_т, λ_з – коэффициент теплопроводности оребренной трубки, внутренней трубки и слоя загрязнения.

η- коэффициент оребрения, зависящий от отношения поверхности ребер к поверхности ребристой стенки F_p/F_pc

Коэффициент эффективности ребра Е и поправочных коэффициентов ξ, ψ, учитывающих влияние трапециевидности ребер и неравномерности коэффициента теплопередачи поверхности ребристой стенки

d, d_в, d_п и δ_з- геометрические размеры согласно рис. 4

Можно упросить следующей формулой:

где - термическое сопротивление слоя загрязнения. Из рис. 15 [1,51] при время работы ТА 5000ч, то средняя толщина слоя загрязнения может составить 1 мм, что вызовет появление дополнительно термического сопротивления

- преведеннный коэффициент теплоотдачи

Мы находим все нужные параметры.

Конвективный коэффициент теплопередачи α₁

Где λ­₁- коэффициент теплопроводности воздуха

Характерный размер

Высота ребра

Теплопередача пучка оребренных или гладких труб описывается следующей функциональной зависимостью, характерной для процессов вынужденной конвекции в пространстве сложной геометрической формы:

Для шахматных пучков

Где

- число Рейнольдса вычислено по формуле

n- показатель степени:

φ- коэффициент оребрения.

C_z- поправочный коэффициент на число рядов z. С_z = 1 при z 4

С_s – коэффициент формы пучка

Где σ₁, σ₂, σ₂^' – поперечный, продольный и диагональный относительный шаги труб в пучке

И так имеем

Коэффициент эффективности (кпд) оребрения найден по формуле

Поправочный коэффициент

и величина рассчитывается с помощью конвективного коэффициента теплоотдачи α₁

Находим величина h

Имеем

Тогда из риз.12 [ст42] для круглых ребер постоянного сечения можно определить коэффициент эффективности E=0,86 и поправочный коэффициент

Поправочный коэффициент

Коэффициент эффективности

Осредненое значение коэффициента теплопередачи

Коэффициента теплоотдачи

4. КОМПОНОВКА ТРУБНОГО ПУЧКА

4.1 Определение основных параметров пучка

Рис 5. Элемент фронтального сечения трубного пучка

Площадь поверхности теплопередачи

Уравнение теплопередачи

где – количество теплоты, переданное воздухом воде, Вт

Мы имеем также

При расчете теплоотдачи и сопротивления в пучке важной геометрической характеристикой служит площадь наиболее сжатого сечения, т.е площадь минимального не загроможденного трубками и ребрами, свободного для движения воздуха сечения. В шахматном пучке два расположено по фронту, другое же складывается из двух межтрубных просветов в диагональных сечениях и определяется отрезом (рис.6). Поэтому в различных шахматных пучках наиболее сжатым сечением может оказаться либо фронтальное, либо диагональное.

Полная площадь наиболее сжатого сечения пучка, свободная для движения воздуха, определяется согласно заданному расходу:

Рис 6. Шахматный вид трубных пучков

Назовем коэффициентом загромождения отношение полной площади сжатого сечения к полной площади фронтального сечения. В соответствии рис. 6 для фронтального и диагонального сечений получим:

Диагональный шаг

Полная площадь фронтального сечения

Эта площадь определяет габариты пучка: ширина а и длину трубок L. Зададим соотношение а = L, имеем

4.2 Определение количества трубок в пучке

Число трубок вдоль фронта пучка (в одном ряду) можно найти

Округляем до целого значения n₁=21.

Для определения число пучков ТА необходимо провести следующие вычисления:

1) Число Нусельта для воды по средней температуру t_ср2=25⁰С

2) Для определения числа Рейнольдса воспользуемся формулой М.А Михева:

– поправка, учитывающая увеличение теплоотдачи на начальном участке течения. т.к. L/d_в = 50.

тогда

3) Cкорость воды в трубе

Число трубок в одном пучке

4.3 Определение числа ходов теплообменника

Рис 7. Трубный пучок

Площадь поверхности трубок, несущих оребрение в одном ряду:

Число ходов ТА

округлим до целого значения m=6.

4.4 Уточнение результатов

Из-за округления числа ходов необходимо сделать поправку так, что получить необходимые температуры на выходе ТА:

Число радов

Еще раз уточняем число трубок в пучке

Размер трубного пучка по глубине b

Объем трубных пучков:

Cкорость воды в трубе

Число Рейнольдса

Число Нусельта

Т.о необходимо лило обеспечить

либо изменить внутренний диаметр трубок

5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ

5.1 Расчет гидравлического сопротивления при течении воды

По величинам площади и периметра сжатого фронтального сечения ячейки может быть вычислен её гидравлический диаметр:

Потери давления по длине прямой трубы (канала) постоянного поперечного сечения, как уже отмечалось, вычисляются по формуле Дарси

Коэффициент потерь от трения рекомендуется [1,c55]

так как

При расчете потерь давления в водяном тракте воздухоохладителя необходимо учитывать местные потери в потоке при входе в трубе и на выходе из них. Коэффициент местного сопротивления при входе в трубу с острой кромкой ζ_вх=0,5. В зависимости от скругления кромок он может уменьшаться до 0,25. Для определенности в расчетах примем первое, максимальное значение ζ_вх. Коэффициент местного сопротивления на выходе из трубы ζ_вых=1,1.

Суммарный коэффициент сопротивления для одного хода по воде найдем по формуле

Общую же величину коэффициента сопротивления водяного тракта, исключая сопротивление трубопроводной сети, подводящей и отводящей воду из воздухоохладителя, определим следующим образом

Вычислив потери давления, отнесенные к скорости воды в трубах

Мощность наноса, необходимую для прокачки воды через воздухоохладитель

5.2 Расчет гидравлических потерь давления воздуха

При расчете гидравлического сопротивления в пучках скорость потока определяется по наиболее сжатому сечению.

Плотность и кинематический коэффициент вязкости вычисляют при среднеарифметической температуре потока

Дополнительный условный коэффициент сопротивления

Коэффициент сопротивления одного ряда труб определяется по формуле

Коэффициент формы пучка

Для шахматных пучков коэффициент сопротивления

где - поправка на число рядов в случае z>5, что характерно для пучков воздухоохладителей.

Полный коэффициент сопротивление воздушного тракта для выбранного типа пучка

Потери давления Δр₁ и затраты мощности N₁ на прокачку воздуха через пучок составляют

Потери во всем ТА

Давление воздуха на выходе

Относительная потерь воздуха во всем ТА

Дополнительные затраты мощности компрессора на прокачку воздуха через пучок

И всего ТА

Суммарная потерь

ЛИТЕРАТУРА

1. Г.Г Гавра, П.М Михайлов, В.В Рис. “Тепловой и гидравлический расчет теплообменных аппаратов компрессорных установок”. Учебное пособие. – Л. ЛИИ, 1982

2. В.А Барилович, Ю.А Смирнов. “Основы технической термодинамики и теории тепло- и массообмена”. Учебное пособие. СПб Изд-во Политехн. Ун-та, 2006

3. В.М Кейс. “Компактные теплообменники”. Учебное пособие. Изд.-“Энергия”, 1967

Дата добавления: 2015-08-28