Расчет рекуперативного теплообменника

Теплообменным аппаратом (теплообменником) называют устройство, предназначенное для передачи теплоты от одной жидкости (горячего теп­лоносителя) к другой жидкости (холодному теплоносителю). В работе выполняется расчет рекуперативного теплообменника, в котором горячий и холодный теплоносители разделены стенкой.

1. Задание

1.1. Определить площадь теплопередающей поверхности рекупера­тивного теплообменника типа "труба в трубе" (рисунок). Расчеты необходимо выполнить для прямоточного и противоточного движения теплоносителей. Потерями теплоты от теплообменника в окружающую среду пренебречь.

Расчетная схема теплообменника

1.2. Исходные данные

Горячий теплоноситель движется по внутренней трубе, его температура на входе равна , а расход составляет кг/с. Холодный теплоноситель движется по кольцевому каналу между трубами и нагревается от температуры до ; его расход составляет кг/с. Исходные данные для расчета выбираются из табл. 5 и 6 приложения (по указанию преподавателя). Выбранные исходные данные записываются в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Данные для расчета теплообменника

кг/с	кг/с	0C	0C	0C	мм	мм	мм	Материал трубок	Теплоноситель

2. Методические указания к выполнению расчетов

Для определения площади поверхности нагрева теплообменного

ап­парата необходимо вычислить его линейный коэффициент теплопередачи _, Bт/(м∙ ):

, (3.1)

где коэффициент теплоотдачи от горячей жидкости к стенке трубы, Вт/( ); коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности внутренней трубы к холодной жидкости, Вт/( ); коэффициент теплопроводности материала стенки внутренней трубы, Вт/( );

Коэффициенты теплоотдачи и определяют, решая соответствующие критериальный уравнения. Определяемым является критерий Нуссельта: ,

где - характерный линейный размер, м; - ко­эффициент теплопроводности жидкости, Вт/(м∙ ).

В зависимости от решаемой задачи (течение жидкости в трубах, дви­жение жидкости вдоль пластины, поперек или в продольном направлении труб и др.), характера движения жидкости и ряда других факторов критерий Нуссельта может быть выражен как функция критериев Прандтля (Рг), Грасгофа (Gr) или Рейнольдса (Re).

Общее критериальное уравнение для конвективного теплообмена:

.

Характер движения жидкости в трубах может быть ламинарным и турбулентным. О режиме течения судят по величине критерия Рейнольдса , где W - средняя скорость движения жидкости, м/с; d -внутренний диаметр трубы, м; - коэффициент кинематической вязко­сти жидкости, м²/с. Если < 2320, то движение жидкости будет ламинар­ным. При = 2,32 •10³... 10⁴ режим движения является переходным. При > 10⁴ в трубе устанавливается развитое турбулентное движение жид­кости.

При ламинарном движении жидкости встречаются два режима изотермного движения: вязкостный и вязкостно-гравитационный. Вязкостный режим соответствует движению жидкости при отсутствии естественной конвекции. Вязкостно-гравитационный режим имеет место тогда, когда вынужденное движение жидкости сопровождается естественной конвекци­ей. Для того чтобы установить, оказывает ли влияние на теплоотдачу есте­ственная конвекция, требуется вычислить произведение критериев Грас­гофа и Прандтля ( ).

Критерий Грасгофа , где - ускорение свободного падения, м/с²; - коэффициент объемного теплового расширения жидко­сти, ( = , ; - характерный линейный размер, для горизонталь­ной трубы равный ее диаметру, м; ΔT - температурный напор, равный , .

Физические параметры жидкостей, а также величину критерия вы­бирают из табл. 7 приложения в зависимости от средней температуры теплоносителей:

и .

Температура стенки трубы равна .

Если ( ) > , то естественная конвекция не оказывает существенного влияния на теплоотдачу и режим движения жидкости вязкостный, в про­тивном случае вязкостно - гравитационный.

При вязкостном режиме рекомендуется определять средний коэффи­циент теплоотдачи в прямых гладких трубах по формуле:

(3.2).

Для вязкостно-гравитационного режима расчеты среднего коэффици­ента теплоотдачи в прямых гладких трубах производить по выражению: (3.3)

Для определения среднего коэффициента теплоотдачи при развитом турбулентном движении рекомендуется следующее уравнение:

(3.4).

Плотность теплового потока на 1 м трубы:

(3.5),

где - среднелогарифмический температурный напор, . Для теплообменных аппаратов с прямотоком:

, (3.6)

а для аппаратов с противотоком:

. (3.7)

2.1. Порядок выполнения расчетов

1. Температуру горячего теплоносителя на выходе из теплообменни­ка определить из уравнения теплового баланса при условии, что потери в окружающую среду отсутствуют. Так как количество теплоты, передаваемой горячим теплоносителем, , Bт, то где и - соответственно массовые изобар­ные теплоемкости горячего и холодного теплоносителей. Их значения принять постоянными и равными: для воды - 4190, для масла -2081 Дж/(кг∙К).

2. Скорость движения горячего теплоносителя и холодного вычислить из выражений и .

где и - плотности теплоносителей в зависимости от температуры, кг/м³ (табл. 7 приложения).

3. Вычислить значения критерия Рейнольдса для обеих сред, оп­ределив затем характер движения теплоносителя. В случае ламинарного движения определить режим течения (вязкостный или вязкостно- гравитационный). При вычислении критерия принять эквивалентный диаметр .

4. В соответствии с характером движения жидкости выбрать одно из критериальных уравнений (3.2), (3.3) или (3.4) с целью определения вели­чины критериев Нуссельта и , характеризующих интенсивность теплообмена на поверхностях внутренней трубы со стороны горячего и хо­лодного теплоносителей. Температуру принять равной темпе­ратуре .

5. По найденным значениям критериев Нуссельта вычислить вели­чины коэффициентов теплоотдачи и .

6. Коэффициент теплопередачи определить по выражению (3.1). Коэффициент теплопроводности материала стенки трубы выбрать по табл. 8 приложения в зависимости от .

7. Вычислить средние логарифмические температурные напоры для случаев прямотока и противотока по формулам (3.6) и (3.7).

8. Плотность теплового потока определить по формуле (3.5),

9. Длина трубы теплообменника находится как

10. Поверхность нагрева определяется как , м².

11. Выполнить анализ результатов расчета для прямоточного и противоточного движений теплоносителей: определить разницу величины по­верхностей теплоотдачи для обоих случаев, выразив ее в процентах. Сде­лать выводы.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Таблица 1

Исходные данные к контрольной работе № 1

Таблица 2

Характеристики газов

Примечание: параметры водяного пара условно приведены к нор­мальному состоянию.

Таблица 3

Исходные данные к контрольной работе №2

Таблица 4

Свойства сухого пара

Таблица 5

Исходные данные для расчета теплообменника.

Горячий и холодный теплоносители – вода

Таблица 6

Исходные данные для расчета теплообменника.

Горячий теплоноситель – масло, холодный – вода

Таблица 7

Физические свойства жидкостей

Таблица 8

Значение коэффициента теплопроводности металлов

Список использованных источников

1.Теплотехника:Учеб. для вузов/ В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.; Под ред. Луканина. – 3-е изд.,испр. – М.: Высш. шк.,2002. – 671 с.: ил.

2. Архаров А.М. Теплотехника: Учеб. для студентов вузов / Под общ. ред. В.И. Крутова -М.: Машиностроение, 1986.-432 с.

3. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. шк., 1980. - 496 с.

4. Афанасьев В.Н, Задачник по технической термодинамике и теории тепломассообмена: Учеб. пособие для энергомашиностроит. спец. ву­зов / Под ред. В.И, Крутова и Г.Б. Петражицкого. - М.: Высш шк 1986 -383с.

5. Тихомиров К.В. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиля­ция. - М.: Стройиздат, 1984. - 274 с.

6. Исаев С.И. Теория тепломассообмена: Учеб. для энергомашино-строит. спец. вузов / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И.' Кофанов и др.; Под ред. А.И. Леонтьева. - М.: Высш. шк., 1979. -495 с.