Курсовая работа теплотехника. Курсовая работа по теплотехнике. Курсовая работа по дисциплине Теплотехника

• Название: Курсовая работа по дисциплине Теплотехника
• Анкор: Курсовая работа теплотехника
• Дата: 23.03.2022
• Размер: 0.86 Mb.
• Имя файла: Курсовая работа по теплотехнике.doc
• Тип: Курсовая; #410625
• страница: 5 из 5

2 Расчет теплообменного аппарата

2.1 Исходные данные

В одноходовом кожухотрубном теплообменном аппарате горячий теплоноситель движется в межтрубном пространстве и охлаждается от температуры t'₁ = 160 ⁰С до t''₁ = 60 ⁰С.

Внутренний диаметр кожуха аппарата D = 300 мм. Холодный теплоноситель движется внутри металлических трубок. Холодный теплоноситель нагревается от t'₂ = 40 ⁰С до t''₂ = 70 ⁰С.

Число трубок в теплообменнике n = 93. Внутренний диаметр трубок d_в = 13 мм, наружный диаметр трубок d_н = 16 мм. Трубки теплообменника с внутренней стороны покрыты отложениями (накипью) толщиной δ_нак = 0,8 мм. Тепловая мощность, вносимая в ТОА, Q_вн = 570 кВт. Потери теплоты в окружающую среду составляют (1 – η) 100, %. Коэффициент использования теплоты η = 0,99.

Определить поверхность нагрева F и число секций N теплообменника. Длина секции l_с = 5 м.

Расчет провести для прямоточного и противоточного направлений движения теплоносителей, а также при наличии накипи на трубах и при ее отсутствии.

Известно также:

- холодный теплоноситель – мазут;

- горячий теплоноситель – вода.

- λ_с = 45 кВт/(м К);

- λ_нак = 0,8 Вт/(м К).

2.2 Конструктивный тепловой расчет ТОА

Тепловая мощность, полученная холодным теплоносителем:

;

564,3 кВт.

Графики изменения температур теплоносителей по длине аппарата:
а) прямоток б) противоток




Температурный напор для прямотока:

Δt_б = t'₁ – t'₂ = 160 – 40 = 120 ⁰С;

Δt_м = t''₂ – t''₁ = 70 – 60 = 10 ⁰С;

Δt_б / Δt_м = 120 / 10 = 12 > 1,4,

тогда

;

44,266 ⁰С.

Температурный напор для противотока:

Δt_б = t''₁ – t'₂ = 60 – 40 = 20 ⁰С;

Δt_м = t'₁ – t''₂ = 160 – 70 = 90 ⁰С;

Δt_б / Δt_м = 20 / 90 = 0,222 < 1,4,

тогда

;

55 ⁰С.

Изменение температуры по длине аппарата:

Δt₁ = t'₁ – t''₁ = 160 – 60 = 100 ⁰С;

Δt₂ = t''₂ – t'₂ = 70 – 40 = 30 ⁰С.

Средние температуры горячего и холодного теплоносителей:

t₁ = (t'₁ + t''₁) / 2 = (160 + 60) / 2 = 110 ⁰С;

t₂ = (t'₂ + t''₂) / 2 = (70 + 40) / 2 = 55 ⁰С.

Определим физические свойства горячего и холодного теплоносителя при средней температуре теплоносителей.

Горячий теплоноситель.

При средней температуре t₁ = 110 ⁰С:

- средняя плотность ρ₁ = 951 кг/м³;

- коэффициент теплопроводности λ₁ = 0,685 Вт/(м К);

- удельная теплоемкость С_р1 = 4,233 кДж/(кг К);

- кинематическая вязкость v₁ = 0,272 х 10^-6 м²/с;

- коэффициент объемного расширения β₁ = 8,08 х 10^-4 1/К;

- число Прандтля Pr₁ = 1,60.

Холодный теплоноситель.

При средней температуре t₂ = 55 ⁰С:

- средняя плотность ρ₂ = 960 кг/м³;

- коэффициент теплопроводности λ₂ = 0,118 Вт/(м К);

- удельная теплоемкость С_р2 = 1,878 кДж/(кг К);

- кинематическая вязкость v₂ = 0,154 х 10^-4 м²/с;

- коэффициент объемного расширения β₂ = 3 х 10^-4 1/К;

- число Прандтля Pr₂ = 235,3.

Определим проходные сечения для горячего и холодного теплоносителей.

Для горячего – площадь межтрубного пространства:

;

0,052 м².

Для холодного – площадь сечения трубок:

;

0,012 м².

Определим скорости движения теплоносителей:

;

0,027 м/с;

;

0,869 м/с.

Эквивалентные диаметры:

;

0,037 м;

D_экв2 = d_в = 0,013 м.

Определим число Рейнольдса для горячего и холодного теплоносителя:

;

3673;

;

734.

Температурный напор между жидкостью и стенкой:

Δt = Δt₂ = t_ст – t₂

Задаемся температурой стенки в первом приближении:

t_ст = (t₁ + t₂) / 2 = (110 + 55) / 2 = 82,5 ⁰С.

Тогда

Δt = Δt₂ = 82,5 – 55 = 27,5 ⁰С.

Число Грасгофа для холодного теплоносителя:

;

749,742.

Определим физические свойства горячего и холодного теплоносителя при температуре стенки t_ст = 82,5 ⁰С.

Горячий теплоноситель.

- средняя плотность ρ_ст1 = 970,25 кг/м³;

- коэффициент теплопроводности λ_ст1 = 0,676 Вт/(м К);

- удельная теплоемкость С_рст1 = 4,198 кДж/(кг К);

- кинематическая вязкость v_ст1 = 0,355 х 10^-6 м²/с;

- коэффициент объемного расширения β_ст1 = 6,48 х 10^-4 1/К;

- число Прандтля Pr_ст1 = 2,165.

Холодный теплоноситель.

- средняя плотность ρ_ст2 = 960 кг/м³;

- коэффициент теплопроводности λ_ст2 = 0,116 Вт/(м К);

- удельная теплоемкость С_рст2 = 1,946 кДж/(кг К);

- кинематическая вязкость v_ст2 = 4,559 х 10^-6 м²/с;

- коэффициент объемного расширения β_ст2 = 3 х 10^-4 1/К;

- число Прандтля Pr_ст2 = 73,4.

Определим число Нуссельта для горячего и холодного теплоносителей.

Режим движения горячего теплоносителя – переходный.

,

где k₀ = 10,9 – коэффициент, определяемый по величине числа Рейнольдса.

12,368.

Режим движения холодного теплоносителя – вязкостный режим.

;

18,535.

Определим коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителей:

;

228,975 Вт/(м^{2 0}С);

;

168,241 Вт/(м^{2 0}С).

Определим коэффициенты теплопередачи.

Толщина стенки трубок:

0,0015 м.

Коэффициент теплопередачи без накипи:

;



= 97,1 Вт/(м^{2 0}С).

Коэффициент теплопередачи с накипью:

;



= 88,5 Вт/(м^{2 0}С).

Определим площадь поверхности теплообмена.

Для прямотока (без накипи):

;

132,6 м².

Для противотока (без накипи):

;

106,7 м².

Для прямотока (с накипью):

;

145,5 м².

Для противотока (с накипью):

;

117,1 м².

Плотность теплового потока (для противотока):

q_прот = Q₁ / F_прот = 570 / 106,7 = 5,342 Вт/м².

Полученная температура стенки (для противотока):

;

110 ⁰С.

Полученная температура стенки отличается от заданной более чем на 5 ⁰С. Принимаем t_ст = 110 ⁰С.

Определим физические свойства горячего и холодного теплоносителя при температуре стенки t_ст = 110 ⁰С.

Горячий теплоноситель.

- средняя плотность ρ_ст1 = 951 кг/м³;

- коэффициент теплопроводности λ_ст1 = 0,685 Вт/(м К);

- удельная теплоемкость С_рст1 = 4,233 кДж/(кг К);

- кинематическая вязкость v_ст1 = 0,272 х 10^-6 м²/с;

- коэффициент объемного расширения β_ст1 = 8,08 х 10^-4 1/К;

- число Прандтля Pr_ст1 = 1,6.

Холодный теплоноситель.

- средняя плотность ρ_ст2 = 960 кг/м³;

- коэффициент теплопроводности λ_ст2 = 0,000115 Вт/(м К);

- удельная теплоемкость С_рст2 = 2,015 кДж/(кг К);

- кинематическая вязкость v_ст2 = 1,923 х 10^-6 м²/с;

- коэффициент объемного расширения β_ст2 = 3 х 10^-4 1/К;

- число Прандтля Pr_ст2 = 235,3.

Определим число Нуссельта для горячего и холодного теплоносителей.

Режим движения горячего теплоносителя – переходный.

,

где k₀ = 10,9 – коэффициент, определяемый по величине числа Рейнольдса.

13,3.

Режим движения холодного теплоносителя – вязкостный режим.

;

13,9.

Определим коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителей:

;

246,2 Вт/(м^{2 0}С);

;

126,2 Вт/(м^{2 0}С).

Определим коэффициенты теплопередачи.

Коэффициент теплопередачи без накипи:

;

83,3 Вт/(м^{2 0}С).

Коэффициент теплопередачи с накипью:

;



= 76,9 Вт/(м^{2 0}С).

Определим площадь поверхности теплообмена.

Для прямотока (без накипи):

;

154,6 м².

Для противотока (без накипи):

;

124,4 м².

Для прямотока (с накипью):

;

167,4 м².

Для противотока (с накипью):

;

134,8 м².

Плотность теплового потока (для противотока):

q_прот = Q₁ / F_прот = 570 / 124,4 = 4,58 Вт/м².

Полученная температура стенки (для противотока):

;

110 ⁰С.

Средняя площадь теплообмена для одного погонного метра пучка труб ТОА:

;

4,234 м².

Определим суммарную длину пучка для прямотока, противотока, без накипи, с накипью:

l = F / f₁;

l_пр.бн = 154,6 / 4,234 = 36,514 м;

l_{прот.бн} = 124,4 / 4,234 = 29,381 м;

l_пр.н = 167,4 / 4,234 = 39,537 м;

l_прот.н = 134,8 / 4,234 = 31,838 м.

Определим число секций теплообменного аппарата:

N = l / l_c;

N = 36,514 / 5 = 7;

N = 29,381 / 5 = 6;

N = 39,537 / 5 = 8;

N = 31,838 / 5 = 6.

Принимаем противоточный теплообменник с шестью секциями.

Список использованных источников

1. 
   Алабовский А.Н., Недужий И.А. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебное пособие. - К.: Выща школа, 1990. - 255 с.
   
2. 
   Исаченко В.П. и др. Теплопередача: Учебник. – М.: Энергия, 1975. – 488 с.
   
3. 
   Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1977. – 344 с.
   
4. 
   Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 1975. – 496 с.
   
5. 
   Поршаков Б.П., Романов Б.А. Основы термодинамики и теплотехники: Учебник. – М.: Недра, 1979. – 319 с.