Теплофизика
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА (МИИТ)»
(РУТ (МИИТ)
Одобрено кафедрой
«ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА И ВОДОСНАБЖЕНИЕ НА ЖД ТРАНСПОРТЕ»
Протокол № 2.09 от 08 сентября 201 8 г.
Автор: Лосавио Н.Г., к.т.н., доцент
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ С МЕТОДИЧЕСКИМИ
УКАЗАНИЯМИ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
ТЕПЛОФИЗИКА
Уровень ВО: Бакалавриат
Форма обучения: Заочная
Курс: 3
Специальность/Направление: 20.03.01 Техносферная безопасность (ТБб)
Специализация/Профиль/Магистерская программа: (ББ) Безопасность
жизнедеятельности в техносфере
Москва
Курсовая работа
Тема: "Конструктивный тепловой расчет рекуперативного
теплообменника"
1.Теория вопроса.
Конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменника
состоит в совместном решении уравнений тепловых балансов,
определяющих теплопроизводительность аппарата, и уравнений
теплопередачи.
Для аппаратов, работающих без изменения агрегатного (фазового)
состояния теплоносителей, уравнение теплового баланса имеет вид:
Q = G1c1(t1 - t1 )ηп = G2c2(t2 - t2 ), (1)
где Q - тепловая производительность, кДж/с,
G1 и G2 - расходы теплоносителей, кг/с,
с1 и с2 - теплоемкости теплоносителей (при изобарном процессе),
кДж/кг К,
t1 , t1 , t2 , t2 - начальные и конечные температуры теплоносителей, оС,
ηп - коэффициент, учитывающий потери тепла аппаратом в
окружающую среду.
На основе приведенных уравнений определяют расход
теплоносителей:
G1 = Q/ c1(t1′ - t1′′)ηп (2)
G2 = Q/ c2(t2′′ - t2′ ) (3)
Поверхность нагрева теплообменника определяют из уравнений
теплопередачи:
F = — , м/с
kAt
(4)
где k - коэффициент теплопередачи, Вт/м2 К,
Δtср - средний температурный напор между теплоносителями, оС,
2
F - поверхность нагрева, м .
Для трубчатого теплообменника:
F = πdсрLnz, (5)
где dср - средний диаметр трубки, м,
L - длина трубки, м,
n - число трубок в одном ходу,
z - число ходов.
Для пластинчатого теплообменника из нерифленых листов:
F = abn, (6)
где F - поверхность пластин с одной стороны, м2,
а - ширина пластины, м,
b - высота пластины, м,
n - число пластин.
Из уравнения 4 следует, что для определения поверхности нагрева
предварительно требуется найти:
величину среднего температурного напора и
коэффициента теплопередачи.
Определение среднего температурного напора
Если температура обоих теплоносителей изменяется вдоль
поверхности теплообмена, то при прямотоке и противотоке средний
температурный напор Δt равен:
At. - At
Δt = tδ tм
Δt
ln δ
(7)
Δt
м
где Δtб - температурный напор (разность температур обоих
теплоносителей), оС, на том конце поверхности теплообмена, где
он больше,
Δtм - температурный напор, оС, на другом конце поверхности
теплообмена.
На рис. 1 показан характер изменения температур вдоль поверхности
теплообмена при противотоке и прямотоке для трех возможных
соотношений полной теплоемкости теплоносителей W (здесь
теплоемкости с1 и с2 являются средними теплоемкостями при
постоянном давлении - изобарными - ср).
Полной теплоемкостью W некоторого количества теплоносителя G,
кг, или его расхода, кг/ч, с удельной теплоемкостью с, кДж/кг · оС,
называется количество тепла, необходимое для увеличения его
температуры на 1оС, т.е. W = Gс, кДж/оС.
Если при противотоке значения W = Gс для обоих теплоносителей
одинаковы, то
Δtб = Δtм = Δt .
(8)
Если Δtб/Δtм ≤ 4,5 можно воспользоваться формулой
At = 1 ( At6 + At.) - 0,1 ( At6 - AtM). (9)
Если Δtб/Δtм ≤ 1,8 можно воспользоваться формулой
At = 1 ( At6 + At.)
(10)
При перекрестном токе и в других более сложных схемах движения
теплоносителей в теплообменнике Δt вычисляется по формуле:
Δt = Δtпрот εΔt, (11)
где Δtпрот - средний температурный напор, подсчитанный по формуле 7
для заданных температур теплоносителей в предположении, что они
движутся противотоком,
εΔt - коэффициент перевода, который определяется по графикам
(рис.2,3), составленным для конкретных схем движения теплоносителей,
в зависимости от условных параметров P и R:
P =
"
t 2 - t 2
' '
11 t 2
& 2 n t1 - t1 &1
~ и R = / , ~T (12)
t макс t 2 t 2 t'1 2
где t1′ , t1′′, t2′ , t2′′ - начальные и конечные температуры теплоносителей
(см. рис.2,3)
На графиках по значениям Р и R находится поправочный коэффициент
εΔt = f (P,R).
О п р е д е л е н и е к о э ф ф и ц и е н т а т е п л о п е р е д а ч и
-
1. для плоской стенки:
k =
1
1 + ^+ 1 ■ A'
+ + + R загр
а лСт «2
, Вт/м2 К
(13)
где δст - толщина стенки, м,
-
λст - коэффициент теплопроводности материала, Вт/м К,
-
α1 и α2 - коэффициенты теплоотдачи для внутренней и наружной
поверхности, Вт/м2 К,
Rзагр - термическое сопротивление, учитывающее загрязнения с обеих
сторон стенки, м2 оС/Вт.
-
2. для круглой трубы:
k =
1
d (
ср
1
а1d вн
+
22
ст
In d^ +
dвн
1
a d
2н
) + R
Вт/м2 К
(14)
где dср, dвн, dн - средний, внутренний и наружный диаметры трубки, м.
При вычислении dср необходимо учитывать следующее правило:
при α1 > α2 - dср = dн
при α1 = α2 - dср = 0,5 (dвн+ dн)
при α1 < α2 - dср = dвн
Для расчета аппарата с обычными цилиндрическими трубками,
толщина стенки которых не больше 2,5 мм, можно пользоваться
формулой для плоской стенки (ур.13), ошибка в этом случае составляет
не более 3%.
Для уравнения 13
R ~ d A
~ / d»
1 вн
+ d
22
, м2 оС/Вт
(15)
Для уравнения 14
d
Rзаг
d d
= V + V, м2 оС/Вт
/1 z2
(16)
где δ1 и δ2 - толщины отложений на внутренней и наружной
поверхности, м,
λ1 и λ2 - коэффициенты их теплопроводности, Вт/м ·К.
О п р е д е л е н и е к о н с т р у к т и в н ы х р а з м е р о в
а п п а р а т о в
Задавшись длиной трубок L и числом ходов z и зная площадь F и
средний диаметр трубки dср можно определить количество трубок в
одном ходу n:
F
n =-----
KdndLz
(17)
-
2. Задание на курсовую работу
Провести конструктивный тепловой расчет водо-водяного
рекуперативного теплообменного аппарата в соответствии с исходными
данными, приведенными в таблице 1.
Исходные данные
Таблица 1
|
Заданные |
Последняя цифра учебного шифра | |||||
|
0,1,2,3 |
4,5,6 |
7,8,9 |
0,1,2,3 |
4,5,6 |
7,8,9 | |
|
t1' , oC |
150 |
130 |
110 |
150 |
130 |
110 |
|
t1" , oC |
90 |
70 |
60 |
90 |
70 |
60 |
|
t2' , oC |
15 |
10 |
5 |
15 |
10 |
5 |
|
t2" , oC |
60 |
55 |
45 |
60 |
55 |
45 |
|
G2, кг/с |
7 |
6 |
5 |
7 |
6 |
5 |
|
α1, Вт/м2К |
200 |
300 |
400 |
200 |
300 |
400 |
|
α2, Вт/м2К |
150 |
250 |
400 |
150 |
250 |
400 |
|
λст, Вт/м К |
55 | |||||
|
dвн , мм |
40 |
34 |
38 |
40 |
34 |
38 |
|
dн , мм |
43 |
36 |
41 |
43 |
36 |
41 |
|
λзаг, Вт/м К |
0,25 | |||||
|
δзаг, мм |
1,0 |
2,0 |
1,5 |
1,0 |
2,0 |
1,5 |
|
Тип |
Кожухотрубный | |||||
|
Схема потоков |
Прямоток |
Противоток, | ||||
-
3. Методические указания к выполнению курсовой работы
Целью работы является проведение конструктивного теплового
расчета водо-водяного рекуперативного теплообменника для трех
условий: при прямотоке, противотоке и перекрестном токе воды с
учетом заданных параметров по табл.1.
В работе необходимо определить:
-
- тепловую производительность теплообменника - Q, кДж/с,
-
- поверхность нагрева теплообменника - F, м2
-
- конструктивные параметры теплообменника:
для кожухо-трубного:
-
L - длина трубки, м,
n - число трубок в одном ходу,
z - число ходов.
Последовательность расчетов.
-
3.1. Определяем температурные напоры Δtб и Δtм :
-
- для прямотока - Δtб = t1 - t2 (см.рис. 1), Δtм = t1 - t2 ,
-
- для противотока - Δtб = t1 - t2 , Δtм = t1 - t2 ,
и соотношение Δtб / Δtм и выбираем формулу расчета Δt для
прямотока, противотока по формулам 9 или 10.
-
3.2. Для перекрестного тока Δt подсчитываем по формуле 11.
Для этого предварительно определяем P и R по формуле 12, и по
графику на рис.2 находится εΔt.
-
3.3. Определяем тепловую производительность теплообменника - Q по
формуле 1 через заданное G2, где теплоемкость с2 находим для средней
температуры воды по таблице Приложения.
Средняя температура воды вычисляется как
t; +1;
t~A =оС
ПО , С
-
3.4. Для трубчатого теплообменника по формуле 17 определяем
количество трубок n, задавшись числом ходов z и длиной трубок в
одном ходу L (но не более 6 м ).
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица П1
Физические свойства воды в состоянии насыщения
|
t, |
ρ, |
ср |
t, oC |
ρ, |
ср | |
|
0 |
999,9 |
4,212 |
210 |
852,8 |
4,555 | |
|
10 |
999,7 |
4,191 |
220 |
840,3 |
4,614 | |
|
20 |
998,2 |
4,183 |
230 |
827,3 |
4,681 | |
|
30 |
995,7 |
4,174 |
240 |
813,6 |
4,756 | |
|
40 |
992/2 |
4,174 |
250 |
799,0 |
4,844 | |
|
50 |
988,1 |
4,174 |
260 |
784,0 |
4,949 | |
|
60 |
983,2 |
4,179 |
270 |
767,9 |
5,070 | |
|
70 |
977,8 |
4,187 |
280 |
750,7 |
5,230 | |
|
80 |
971,8 |
4,195 |
290 |
732,3 |
5,485 | |
|
90 |
965,3 |
4,208 |
300 |
712,5 |
5,736 | |
|
100 |
958,4 |
4,220 |
310 |
691,1 |
6,071 | |
|
110 |
951,0 |
4,233 |
320 |
667,1 |
6,574 | |
|
120 |
943,1 |
4,250 |
330 |
640,2 |
7,244 | |
|
130 |
934,8 |
4,266 |
340 |
610,1 |
8,165 | |
|
140 |
926,1 |
4,287 |
350 |
574,4 |
9,504 | |
|
150 |
917,0 |
4,313 |
360 |
528,0 |
13,984 | |
|
160 |
907,4 |
4,346 |
370 |
450,5 |
40,321 | |
|
170 |
897,3 |
4,380 | ||||
|
180 |
886,9 |
4,417 | ||||
|
190 |
876,0 |
4,459 | ||||
|
200 |
863,0 |
4,505 |
ЛИТЕРАТУРА
Основная
-
1. Теплотехника, В.Л.Ерофеев, П.Д.Семенов, А.С.Пряхин, М.,
Изд."Академкнига", 2006, 456 с. -
2. Задачник по тепломассообмену, Ф.Ф.Цветков, Р.В.Керимов,
В.И.Величко, М., издательский дом МЭИ, 2010, 195 с. -
3. Сборник задач по теплотехнике, Г.П.Панкратов, Книжный дом
"Либроком", М., 2009,248 с.
Дополнительная
-
4. Теплообменные, сушильные и холодильные установки, П.Д.Лебедев,
изд. "Энергия", М., 1972, 319 с (с.20).
-
5. Л е б е д е в П.Д., Щ у к и н А.А. Теплоиспользующие установки
промышленных предприятий (курсовое проектирование). Учеб. пос. для
энергетических вузов и факультетов. -М.: Энергия, 1972. -
6. Промышленные тепломассообленные процессы и установки: Учеб. для вузов.
А.М.
Бакластов, В.А. Голубков, О.Л. Данилов и др. / Под ред. А.М. Бакластова. –
М. Энергоатомиздат, 1993.
-
7. Сборник примеров и задач по тепломассообменным процессам, аппаратам и
установкам. ЛИ. Архипов, В.А. Григоренко, А.Л. Ефимов и др. Учеб. пос. по
курсу "Тепломассообменные аппараты". -М. Изд. МЭИ, 1997.
Рис. 1. График изменения температур теплоносителей вдоль поверхности
теплообмена при их противотоке и прямотоке.
Рис. 2. Коэффициент εΔt = f(P,R) для параллельно-смешанного тока.
а – с двумя ходами одного из теплоносителей;
б – с тремя ходами одного из теплоносителей.
v о,г аз & as as о,7 ав ^ &
в)
Рис. 3. Коэффициент εΔt = f(P,R) для перекрестного тока.
а – для одноходового;
б – для двухходового; теплоноситель t1 перемешивается, теплоноситель
t2 не перемешивается.
Рис. 4. Кожухотрубчатые рекуперативные теплообменные
аппараты:
ж— с верхней плавающими распределительными камерами;
з — с сальниковым уплотнением на штуцере.
Комментарии (0)