теплотехника. Курсовая работа к

Скачать 2.12 Mb. Название Курсовая работа к Анкор теплотехника.docx Дата 25.12.2017 Размер 2.12 Mb. Формат файла Имя файла теплотехника.docx Тип Курсовая #13939 страница 1 из 3

1   2   3 5.Тепловой и компоновочный расчёты спирального теплообменникаИзм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 38 КУРСОВАЯ РАБОТА К Задание. Произвести тепловой и компоновочный расчеты спирального теплообменника для конденсации насыщенного пара бензола с расходом Gб=1180 кг/час при атмосферном давлении. Жидкий бензол отводится при температуре конденсации насыщенных паров. Охлаждающий агент - вода с начальной температурой –tв1=270С и конечной –tв11=370C. Термическое сопротивление поверхности теплообмена со стороны бензола – 0,0001 м2час*К/ккал, а со стороны воды - 0,0007 м2*час*К/ккал. Температура кипения бензола при атмосферном давлении tк=80,10С, а скрытая теплота парообразования бензола – r=94,5 ккал/кг. Решение. 1. Определяем основные параметры спирального теплообменника. Больший температурный напор ∆tб = tк - tв1 = 80,1-27 = 53,10С Меньший температурный напор ∆tм = tк - tв11 = 80,1-37 = 43,10С Среднелогарифмический напор ∆t=(∆tб-∆tм)/ℓn(∆tб/∆tм) = (53,1-43,1)/ℓп(53,1/43,1)=47,90С Средняя температура охлаждающей воды tв = tк - ∆t=80,1 - 47,9 = 32,20С Тепловая нагрузка (теплопроизводительность) Q=Gбr =1180*94,5=111510ккал/час=111510*427*9,81/3600 = 129750 Вт ≈ 130 кВт Здесь: r = 94,5 ккал/кг - скрытая теплота парообразования бензола при атмосферном давлении; Gб = 1180 кг/час – массовый расход бензола (задано). Массовый расход охлаждающей воды Gв =Q/cр(tв11-tв1) =111510/(1*(37-27)) = 11151 кг/час. Здесь ср= 1ккал/кг*К – теплоёмкость воды при средней температуре tв=32,20С. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 39 КУРСОВАЯ РАБОТА 2. Тепловой расчет спирального теплообменника.Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 40 КУРСОВАЯ РАБОТА Основные размеры канала спирального теплообменника и скорости движения теплоносителей. 2.1. Площадь поперечного сечения канала спирального теплообменника определяем по параметрам движения охлаждающей воды. Принимаем скорость движения воды W ≈ 0,56 м/c. Тогда ориентировочная площадь поперечного сечения канала S=Gв/(ρ*w*3600)= 11151/(1000*0,56*3600) = 0,00553 м2, где ρ = 1000 кг/м3 – плотность воды Примечание: при значении массового расхода воды, превышающем 10000кг/час, принимать скорость движения воды по зависимости W ≈ 0,5 + (Gв - 10000)*0,5/10000, а затем определять площадь поперечного сечения канала. Принимая высоту канала равной в=10мм, получим ширину спирали В=S/в=0,00553/0,01 = 0,553 м= 553 мм С учетом конструктивных особенностей организации уплотнения каналов с торцов (рис.5 и рис.6, Приложение), принимаем ширину канала равной Вк=0,5=500 мм. Тогда, скорость охлаждающей воды равна Wв=Gв/(3600*ρв*Вк*в)=11151/(3600*1000*0,5*0,01) = 0,619м/c Для бензола принимаем такое же сечение канала Sб = S Скорость движения бензола в каналах теплообменника Wб=Gб/(3600*ρб*Вк*в) = 1180/3600*825*0,5*0,01=0,079м/c Здесь ρб = 825 кг/м3 плотность жидкого бензола на линии насыщения [2]. 2.2. Определим коэффициент теплопередачи.Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 4 КУРСОВАЯ РАБОТА 2.2.1. Гидравлический диаметр каналов для движения воды и бензола d=4S/Р=4*Вк*в/(2(Вк+в))=4*0,5*0,01/(2*0,51) = 0,0196м=19,6 м Здесь S и Р – площадь поперечного сечения канала и его периметр соответственно. 2.2.2. Коэффициент теплоотдачи конденсирующегося бензола определяют по зависимости [1]. альфаб=А/4√d*∆tб где d-гидравлический диаметр канала; ∆tб – температурный напор от конденсирующихся паров бензола к стенке канала со стороны бензола; А – коэффициент, зависящий от физических свойств конденсирующегося бензола и от скрытой теплоты его парообразования. Зависимость для определения коэффициента А приведена далее. Дальнейший расчёт проводим последовательными приближениями, задаваясь в каждом новом приближении температурой стенки канала со стороны бензола. Каждое приближение заканчиваем сравнением заданного и полученного значений температуры стенки канала со стороны бензола. Приближение №1. Принимаем температуру стенки канала со стороны бензола равной tст1 = 65,40C Тогда, ∆tб = tк – tст1 = 80,1 – 65,4 = 14,70C – температурный напор от конденсирующихся паров бензола к стенке канала, а средняя температура плёнки конденсирующегося бензола равна tп = (tк + tст1)/2 = (80,1+57,9)/2 = 72,80C В соответствии с [1] А=С0,75*r0,25, где С - коэффициент, зависящий от физических параметров конденсата бензола (от температуры его насыщенных паров). В нашем случае С=3423 [1]. В курсовой работе допускается принимать это значение для всех вариантов заданий. Тогда,Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 42 КУРСОВАЯ РАБОТА альфаб=А/4√d∆t,б = 34230,75*94,50,25/4√0,0196*14,7 = 1395/0,733 = = 1903 ккал/м2часК = 2216 Вт/м2К Для определения коэффициента теплоотдачи к воде определим её режим течения. Число Рейнольдса Re = (w*d)/υ = (0,619 * 0,0196)/0,805 = 15709 Режим течения турбулентный. Для турбулентного режима течения воды коэффициент теплоотдачи определим по зависимости [1]. альфав=А5w0,8в/d0,2, где А5=1943 (таблица№3, Приложение). альфав=1943*0,6190,8/0,01960,2=2907 ккал/м2часК=3383 Вт/м2КК Термические сопротивления загрязнений канала приведены в задании. Термическое сопротивление загрязнения со стороны бензола равно Rзагр.б = 0,0001 м2часК/ккал, а со стороны воды - Rзагр.в = 0,0007 м2часК/ккал. Определим термическое сопротивление стальной спирали, принимая её толщину равной δ = 2,5 мм, а коэффициент теплопередачи стали равным λ = 40 ккал/м*час*К Rст= б/λ = 0,0025/40 = 0,0000625м2часК/ккал Тогда, коэффициент теплопередачи спирального теплообменника равен к= 1/(1/альфаб+Rзатр.б+Rст+Rзатр.в+1/альфав) = = 1/(1/1903+0,0001+0,0000625+0,0007+1/2907) = =1/(0,000525+0,0001+0,0000625+0,0007+0,00034)= =578,9 ккал/м2часК= 672 Вт/м2К Необходимая площадь поверхности нагрева спирального теплообменника F=Q/к∆t= 111510/(578,9*47,9) = 4,029м2 Определяем температуру стенки канала в первом приближенииИзм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 43 КУРСОВАЯ РАБОТА tст1 = tк – Q/(F*альфаб) = 80,1 – 111510/(4,029*1903) = 65,60C Так как полученное значение температуры стенки канала заметно отличается от заданного, проводим расчёт во втором приближении. Приближение №2.Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 44 КУРСОВАЯ РАБОТА Принимаем температуру стенки канала со стороны бензола равной tст1 = 65,60C Тогда, температурный напор на плёнке бензола равен ∆tб = tк – tст1 = 80,1 – 65,6 = 14,50C, а средняя температура конденсирующегося бензола равна tп = (tк + tст1)/2 = (80,1+65,6)/2 = 72,850C А=С0,75*r0,25, где С - коэффициент, зависящий от физических параметров конденсата бензола (от температуры его насыщенных паров). Принимаем С=3423 Тогда, альфаб=А/4√d∆t,б=34230,75*94,50,25/4√0,0196*14,5 = = 1911 ккал/м2часК = 2224 Вт/м2К Коэффициент теплоотдачи к воде был определён в приближении №1 альфав = 3383 Вт/м2КК Термические сопротивления загрязнений канала и стальной спирали принимаем такими же, как и в приближении №1. Тогда, коэффициент теплопередачи спирального теплообменника равен к = 1/(1/альфаб+Rзатр.б+Rст+Rзатр.в+1/ альфав) = = 1/(1/1911+0,0001+0,0000625+0,0007+1/2907) = =1/(0,000523+0,0001+0,0000625+0,0007+0,00034)= =579,5 ккал/м2часК= 674 Вт/м2К Необходимая площадь нагрева спирального теплообменникаИзм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 45 КУРСОВАЯ РАБОТА F = Q/(к*∆t) = 111510/(579,5*47,9) =4,02 м2 Определяем температуру стенки канала во втором приближении tст1 = tк – Q/(F*альфаб) = 80,1 – 111510/(4,02*1911) = 65,60C Так как полученное значение температуры стенки канала со стороны бензола близко к заданному во втором приближении, то дальнейшие приближения не проводим. 3. По данным таблицы №9 (Приложение) минимальная поверхность серийных спиральных теплообменников составляет 15м2. Поэтому, определяем размеры проектируемого теплообменника расчетом. 3.1. Геометрический и компоновочный расчет матрицы спирального теплообменника. 3.1.1. Из рис.5 (Приложение) видно, что количество витков наружной спирали на 0,5 витка больше, чем количество витков внутренней спирали, т.е. n2=n1+0,5 где: n1-количество витков внутренней спирали; n2-количество витков наружной спирали. Длина внутренней спирали Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 46 КУРСОВАЯ РАБОТА L1=π(D1ср/2)*n1=π((D+d-2t)/2)*n1, где: L1 – длина внутренней спирали; D-2t – наружный диаметр внутренней спирали; D – наружный диаметр наружной спирали; D1ср – средний диаметр внутренней спирали; t = в + δ = 10 +2,5 = 12,5 мм – шаг спирали; δ – толщина спирали; d – внутренний диаметр наружной и внутренней спиралей (внутренний диаметр матрицы теплообменника). Длина наружной спирали L2 = π((D+d)/2)*n2 = π((D+d)/2)*(n1+0,5))Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 47 КУРСОВАЯ РАБОТА 3.1.2. Определим количество витков внутренней спирали - n1 Общее количество витков обоих спиралей n1+n1+0,5 = (D-d)/(2t); Откуда, n1 = [((D-d)/2t)-0,5]/2 = (D-d-t)/4t Уравнение поверхности нагрева матрицы Вк(L1+L2) = F; L1+L2 = F/Вк Здесь: F – площадь поверхности нагрева (охлаждения) матрицы теплообменника; Вк, L1, L2 – ширина каналов и длина спиралей матрицы. Подставим в последнее уравнение полученные выше уравнения для длин наружной и внутренней спиралей. π ((D+d-2t)/2)*n1+ π((D+d)/2)*(n1+0,5) = F/Вк; (D+d-2t)*n1+(D+d)(n1+0,5) = 2F/(πВк); (D+d)*n1-2tn1+(D+d)*n1+ (D+d)/2 = 2F/(πВк); 2(D+d)*n1 + (D+d)/2-2tn1 = 2F/(πВк); 2n1(D+d-t) + (D+d)/2 = 2F/πВк; Подставим в это соотношение полученную ранее зависимость для количества витков внутренней спирали - n1 = (D-d-t)/4t. (D+d-t)*(D-d-t)/(2t)+(D+d)/2 = 2F/(πВк); (D-t+d)(D-t-d) + (D+d)*t = 4Ft/(πВк); D2 - 2Dt+t2-d2+Dt+dt = 4Ft/(πВк); D2-Dt+t2-d2+dt-4Ft/(πВк) = 0 3.1.3. Выполним раИзм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 48 КУРСОВАЯ РАБОТА счет, принимая внутренний диаметр матрицы равным d=150мм. Наружный диаметр наружной спирали определим из последнего полученного уравнения D2-12,5D+12,52-1502+150*12,5-(4*4,029*106*12,5)/(π500) = 0; D2-12,5D+156,25-22500+1875-128312,1 = 0; D2-12,5D-148780,85 = 0; D=391,9 мм; Количество витков внутренней и наружной спиралей n1=(D-d-t)/4t=(391,9-150-12,5)/(4*12,5) = 4,588; n2=n1+0,5=4,42 n2= 4,588 + 0,5 = 5,088 Длина внутренней спирали L1=(π(D+d-2t)/2)*n1=π(391,9+150-25)/2*4,588 =3726 м. Длина наружной спирали L2=(π(D+d)/2)*n2=(π(391,9+150)/2)*5,088 = 4331 м. 3.1.4 Проверка. Поверхность нагрева матрицы F=(L1+L2)Вк=(3726+4331)*10-3*0,5= 4,029 м2. Т.к. необходимое значение поверхности равно 4, 029 м2, то расчет проведен верно. Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 49 КУРСОВАЯ РАБОТА 4.Эскизный проект рассчитанного спирального теплообменника Эскиз к геометрическому расчету спирального теплообменника Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 50 КУРСОВАЯ РАБОТА Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 5 КУРСОВАЯ РАБОТА 4. Основы инженерных тепловых и компоновочных расчётов теплообменных аппаратовИзм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 20 КУРСОВАЯ РАБОТА 4.1 Основные понятия и определения процессов переноса теплоты. Теплопередача – наука о самопроизвольном распространении теплоты в пространстве. Под распространением теплоты подразумевается обмен внутренней энергией между отдельными областями рассматриваемой среды. Перенос – распространение теплоты в теплообменных аппаратах чаще всего происходит двумя способами – теплопроводностью и конвекцией. Теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты в телах или между телами, происходящий в результате переменности температуры вещества в рассматриваемом пространстве. В отличие от теплопроводности, конвекция – это перенос теплоты, происходящий при перемещении объёмов жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Из этого следует, что конвекция возможна только лишь в текучей среде. Теплопроводность в чистом виде существует лишь в твёрдых телах и, напротив, конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Например, в инженерных расчётах теплообменных аппаратов практически всегда возникает необходимость определить конвективный теплообмен между поверхностью твёрдого тела (матрицей теплообменника) и потоком жидкости или газа. Такой перенос теплоты называется конвективной теплоотдачей или теплоотдачей. В технике и в быту наиболее часто используются теплообменные аппараты, в которых перенос теплоты происходит между жидкостями или газами через твёрдую стенку. Такой перенос теплоты от горячей текучей среды (жидкость или газ) к холодной текучей среде (жидкость или газ) через разделяющую твёрдую стенку называется теплопередачей. Весь этот процесс переноса теплоты состоит из нескольких процессов. Например, в радиаторе системы охлаждения автомобильного двигателя трубы радиатора получают теплоту от горячей жидкости теплоотдачей. По трубам и пластинам радиатора, зачастую через слои твёрдого загрязнения и накипи, теплота переносится от внутренней поверхности матрицы к наружной теплопроводности. И, наконец, от наружной поверхности труб и пластин теплота переносится теплоотдачей к холодному воздуху, который омывает радиатор. Процессы теплообмена в теплообменных аппаратах могут протекать и в чистых веществах, и в разных смесях, при изменении и без изменения агрегатного состояния вещества. Во всех этих случаях теплообмен протекает по особому и описывается различными уравнениями.Изм. Лист № докум. Подпись Дата Лист 2 КУРСОВАЯ РАБОТА   1   2   3