Файл: РПР Расчет теплообменного аппарата.doc

18

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ковровская государственная технологическая академия имени В.А. Дегтярева

Кафедра «Гидропневмоавтоматика и гидропривод»

Расчет теплообменного аппарата

Методические указания к расчетно-практической работе по дисциплинам «Термодинамика и тепломассообмен», «Теплотехника», «Основы теории теплообмена» для студентов специальностей 150802, 280101, 220401, 190201

Составитель Н.А. Овчинников

Ковров 2007

Содержание

С.

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.................................................................3

2. ЗАДАНИЕ................................................................................................ 6

3. ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ РАСЧЕТА................................................................................................. 6

4. Приложение 1........................................................................................... 12

5. Приложение 2........................................................................................... 14

6. Приложение 3........................................................................................... 15

7. Приложение 4........................................................................................... 16

8. ЛИТЕРАТУРА......................................................................................... 18

1. Основные положения

Теплообменным аппаратом называется устройство, в котором осуществляется процесс передачи теплоты от одного теплоносителя к другому.

---

По принципу действия теплообменные аппараты подразделяются на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

К рекуперативным теплообменникам относятся аппараты, в которых теплота от горячего теплоносителя к холодному передается через разделяющую их стенку. При этом оба теплоносителя одновременно контактируют с поверхностью нагрева

К регенеративным теплообменникам относятся аппараты, в которых одна и та же теплообменная поверхность поочередно, то нагревается горячим теплоносителем, то охлаждается холодным, т.е. теплота при нагреве аккумулируется поверхностью нагрева, а затем при охлаждении отдается холодному теплоносителю. Примером таких теплообменников могут служить регенераторы промышленных печей, воздухоподогреватели доменных печей и т.д.

В смесительных аппаратах процесс теплопередачи происходит за счет непосредственного контакта и смешения горячего и холодного теплоносителей. При этом теплопередача происходит одновременно с массопередачей. Примером таких тепло- массообменных устройств служат скрубберы и градирни.

Движение теплоносителей в теплообменных аппаратах в зависимости от направления по отношению друг к другу может быть разным. Различают следующие основные схемы движения теплоносителей:

• противоточная (навстречу друг другу);

• прямоточная (в одинаковом направлении);

• с перекрестным (поперечным) током.

Основные схемы движения теплоносителей представлены на рис. 1

Рис.1 Схемы движения теплоносителей в теплообменных аппаратах

---

Расчет теплообменного аппарата базируется на двух основных зависимостях:

• уравнение теплового баланса;

• уравнение теплопередачи.

Уравнение теплового баланса

где - тепловой поток от горячего теплоносителя к холодному;

- расходы теплоносителей;

-температура горячего теплоносителя соответственно на входе и выходе из теплообменника;

температура холодного теплоносителя соответственно на входе и выходе из теплообменника;

средняя удельная массовая изобарная теплоёмкость соответственно горячего и холодного теплоносителя.

Уравнение теплопередачи

Где Q - тепловой поток от горячего теплоносителя к холодному;

K - коэффициент теплопередачи;

F- поверхность теплообмена;

t – температурный напор между теплоносителями.

Температура теплоносителей изменяется в процессе теплообмена по длине теплообменника (см. рис. 2), поэтому, чтобы учесть это, в качестве t в уравнении теплопередачи используется среднелогарифмический температурный напор

Где t_Б и t_М – соответственно наибольшая и наименьшая разности граничных температур теплоносителей.

Эта формула справедлива как для противотока, так и для прямотока.

Рис. 2. Характер изменения температуры теплоносителей по длине теплообменника

При расчете теплообменных аппаратов обычно могут возникнуть две основные задачи:

1. При заданных параметрах потоков на входе и выходе из аппарата и типе теплообменной поверхности требуется определить необходимую поверхность теплообмена и выполнить конструктивную разработку аппарата. Эта задача характерна для конструкторского расчета.

2. Для реально существующего аппарата при заданных параметрах потоков на входе определить количество передаваемой теплоты и параметры потоков на выходе из аппарата. Эта задача характерна для поверочного расчета.

---

2. Задание

Определить поверхность теплообмена и необходимое количество секций теплообменного аппарата типа «труба в трубе». Горячий теплоноситель (вода, масло) движется по внутренней стальной трубе с соотношением диаметров d₂/d₁. Температура горячего теплоносителя на входе в теплообменник t₁, а его расход равен m₁. Холодный теплоноситель (вода, масло) движется по кольцевому каналу между трубами и нагревается от температуры t₂ до t₂. Внутренний диаметр внешней трубы D. Расход холодного теплоносителя m₂. Расчет выполнить для прямоточной и противоточной схем движения теплоносителей и сравнить их эффективность. Потерями теплоты от теплообменника в окружающую среду пренебречь. Варианты заданий приведены в Приложении 1.

Примечание:

Индексы 1 и 2 относятся соответственно к горячему и холодному теплоносителям. Индексы и  характеризуют параметры теплоносителей соответственно на входе и выходе.

3. Основные расчетные зависимости и последовательность расчета

1. Определяется количество передаваемой теплоты

2. Определяется температура горячего теплоносителя у выхода из аппарата

В первом приближении значение удельной массовой изобарной теплоёмкости горячего теплоносителя C_P1 принимается при температуре t₁, а затем t₁ уточняется, принимая C_P1 при температуре

Для определения t₁ достаточно ограничиться двумя приближениями.

3. По таблицам (см. Приложения 2, 3, 4) определяются теплофизические свойства горячего и холодного теплоносителей при соответствующих средних температурах

Горячий теплоноситель

, ºС

Плотность - ₁, кг/м³

Удельная массовая изобарная теплоёмкость - C_P1, кДж/кгград

Коэффициент теплопроводности - ₁, Вт/мград

---

Коэффициент динамической вязкости - 1, Пас Коэффициент кинематической вязкости - 1, м2/с

Коэффициент температуропроводности - a₁, м²/с

Температурный коэффициент объёмного расширения - ₁, К^-1

Критерий Прандтля - Pr₁.

Холодный теплоноситель

, ºС

Плотность - ₂, кг/м³

Удельная массовая изобарная теплоёмкость - C_P2, кДж/кгград

Коэффициент теплопроводности - ₂, Вт/мград

Коэффициент динамической вязкости - 2, Пас Коэффициент кинематической вязкости - 2, м2/с

Коэффициент температуропроводности - a₂, м²/с

Температурный коэффициент объёмного расширения -₂, К^-1

Критерий Прандтля - Pr₂.

4. Определяются скорости движения теплоносителей:

• при движении теплоносителя внутри трубы

, м/с

• при движении теплоносителя в межтрубном пространстве

, м/с

5. Определяются значения гидродинамических и тепловых критериев подобия для горячего и холодного теплоносителей.

Критерий Рейнольдса – характеризует соотношение между силами инерции и молекулярного трения (вязкости). Определяет гидродинамический режим вынужденного движения теплоносителей.

Критерий Грасгофа – характеризует соотношение между подъёмной силой, возникающей в среде вследствие разности плотностей отдельных элементов среды и силой молекулярного трения (вязкости).

Критерий Прандтля – характеризует подобие физических свойств теплоносителей.

Критерий Пекле – характеризует соотношение между переносом теплоты конвекцией и теплопроводностью в потоке.

В этих формулах: l₀ – определяющий размер;

---