Рекуперативного теплообменного аппарата»
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Севастопольский государственный университет»
Институт кораблестроения и морского транспорта
Кафедра энергоустановок морских судов и сооружений
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению курсовой работы работ по дисциплине
«Теплопередача»
«Тепловой и гидравлический расчеты
Рекуперативного теплообменного аппарата»
для студентов направления подготовки
26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических установок»
очной и заочной форм обучения
Уровень высшего образования: специалист
Севастополь 2015
УДК 62-713.1:621.436
Теплопередача:методические указания к выполнению курсовой работы «Тепловой и гидравлический расчеты рекуперативного теплообменного аппарата» / Сост. К.Ю. Федоровский, О.Г. Лепеха – Севастополь: Изд-во СГУ, 2015. – 37 с.
Целью методических указаний является ознакомление студентов с основными принципами теплового и гидравлического расчетов рекуперативных теплообменных аппаратов и получение необходимых практических навыков.
Методические указания рассмотрены и утверждены на заседании кафедры ЭМСС, протокол № _1_ от «_14_» __января__ 2015 года.
Рецензент: Лисняк Ю.А., кандидат технических наук, доцент кафедры ЭМСС.
Ответственный за выпуск Федоровский К.Ю., доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой ЭМСС.
Допущено к изданию ФГБОУ ВО «Севастопольский государственный университет» в качестве методических указаний.
С О Д Е Р Ж А Н И Е
| Основные обозначения……………………………………………………. | |
| Введение....................................................................................................... | |
| 1. Задача расчета ТОА……………... ......................................................... | |
| 2. Особенности конструкции кожухотрубного ТОА………..................... | |
| 3. Основные положения теплового и гидравлического расчетов ТОА........................................................................................... | |
| 4. Методика теплового и гидравлического расчетов кожухотрубного ТОА…............................................................................ | |
| Библиографический список ……………………….……………………... | |
| Приложение А………………………………………….…………….......... | |
| Приложение Б………………………………………….…………….......... | |
| Приложение В………………………………………….…………….......... | |
| Приложение Г………………………………………….…………….......... | |
| Приложение Д………………………………………….…………….......... | |
| Приложение Е………………………………………….…………….......... | |
| Приложение Ж...……………………………………….…………….......... | |
| Приложение З………………………………………….…………….......... | |
| Приложение И………………………………………….…………….......... | |
| Приложение К………………………………………….…………….......... | |
| Приложение Л………………………………………….…………….......... | |
| Приложение М………………………………………….…………….......... |
Основные обозначения
 | – | порядковый номер шестиугольника компоновки трубного пучка; |
 | – | коэффициент теплопередачи, Вт/(м2.К); |
 | – | температура, оС; |
 | – | коэффициент теплопроводности, Вт/(м.К); |
 | – | коэффициент кинематической вязкости, м2/с; |
 | – | плотность, кг/м3; |
 | – | изобарная теплоемкость, Дж/(кг.К); |
 | – | тепловой поток, Вт; |
 | – | массовый расход, кг/с; |
 | – | температурный напор, оС; |
 | – | площадь теплообменной поверхности, м2; |
 | – | скорость, м/с; |
 | – | количество труб в трубном пучке, шт; |
 | – | толщина, м; |
 | – | коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2.К); |
 | – | диаметр, м; |
 | – | термическое сопротивление, (м2.К)/Вт; |
 | – | шаг труб в трубном пучке, м; |
 | – | наружный диаметр трубного пучка, м; |
 | – | длина труб, м; |
 | – | число ходов теплоносителя; |
 | – | шаг установки диафрагм, м; |
 | – | высота проходного сечения в диафрагме, м; |
 | – | площадь проходного сечения, м2; |
 | – | гидравлическое сопротивление, Па; |
 | – | коэффициент местного сопротивления; |
 | – | коэффициент сопротивления по длине трубопровода |
Ч и с л а п о д о б и я
– число Рейнольдса;
– число Прандтля;
– число Нуссельта.
И н д е к с ы
| – | относится к внутритрубной полости; | |
| – | относится к межтрубной полости; | |
| С | – | стенка; |
| П | – | патрубок; |
| ТП | – | трубный пучок; |
| ТД | – | трубная доска; |
| ТР | – | труба; |
| ПОВ | – | поворот; |
| / | – | вход; |
 // | – | выход; |
 | – | (черта над буквой) – знак осреднения. |
В В Е Д Е Н И Е
Кожухотрубные теплообменные аппараты (ТОА) широко распространены в промышленности. Приведенная здесь методика расчета такого ТОА несколько упрощена. Рассматривается «идеальный» теплообменник, в котором, например, пренебрегают протечками через зазоры внутри полости аппарата, наружное обтекание трубного пучка считается строго поперечным и т.д. При необходимости проведения более точных расчетов, они могут быть выполнены с использованием литературных источников, указанных в конце пособия. При этом процедура расчета многократно усложняется и требует применения современных ЭВМ.
Основные положения расчета рекуперативных ТОА других типов аналогичны рассмотренным в данном пособии и отличаются лишь деталями, учитывающими особенности конструкций.
Прежде чем приступить непосредственно к расчетам, студенту необходимо внимательно ознакомиться с особенностью конструкции ТОА и основными положениями расчета, изложенными в разделах 2 и 3.
Пояснительная записка в курсовой работе должна содержать:
1. Титульный лист.
2. Задачу расчета и исходные данные (в табличной форме).
3. Таблицы теплового и гидравлического расчетов.
4. Начерченную в масштабе(в соответствии с существующей номенклатурой масштабов) на листе формата А3 схему ТОА с указанием его размеров.
ЗАДАЧА РАСЧЕТА ТОА
Необходимо определить основные размеры, площадь теплопередающей поверхности и гидравлическое сопротивление при прокачивании теплоносителей кожухотрубного ТОА, если известны *):
| № п/п | П а р а м е т р | Обоз-наче-ния | Единицы измере-ния | Численное значе- ние |
| 1. | Температура теплоносителя на входе в внутритрубную полость |  | оС | |
| 2. | Температура теплоносителя на выходе из внутритрубной полости |  | оС | |
| 3. | Температура теплоносителя на входе в межтрубную полость |  | оС | |
| 4. | Температура теплоносителя на выходе из межтрубной полости |  | оС | |
| 5. | Массовый расход теплоносителя межтрубной полости |  | кг/с | 15,6 |
| 6. | Вид теплоносителя внутритрубной полости | - | - | МВ |
| 7. | Вид теплоносителя межтрубной полости | - | - | трансф. масло |
| 8. | Материал труб трубного пучка | - | - | Ti |
| 9. | Внутренний и наружный диаметры труб трубного пучка |   | мм мм | |
| 10. | Схема тока теплоносителей | - | - | № 2 |
*) Численные значения исходных данных выбираются по таблице, представленной в конце данных методических указаний. Приведенные в таблице численные значения используются в дальнейшем в качестве примера расчета ТОА.
В рассматриваемом теплообменнике трубный пучок имеет шахматную компоновку с размещением труб по схеме правильных треугольников.
ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ
КОЖУХОТРУБНОГО ТОА
Схема кожухотрубного ТОА показана на рис. 2.1. В дальнейшем, теплоноситель, движущийся во внутритрубной полости, будем обозначать цифрой 1, а теплоноситель межтрубной полости – цифрой 2. Теплоноситель 1, пройдя входной патрубок, поступает через отверстия в трубной доске 2 в теплопередающие трубы 1, образующие в своей совокупности трубный пучок. В зависимости от числа ходов (на рис. 2.1 имеем Z1 = 2) теплоноситель 1 разворачивается и движется по трубам 1 в другом направлении. Теплоноситель 2, поступая в корпус 3 аппарата, обтекает трубный пучок с наружной стороны. Для организации движения этого потока, увеличения его скорости в межтрубной полости установлены диафрагмы (перегородки) 5. Диафрагмы имеют сегментный вырез для прохождения теплоносителя.
Могут быть использованы коридорная и шахматная компоновки трубных пучков. Наиболее часто используется последняя компоновка с размещением труб по схеме правильных треугольников, что обеспечивает шахматный равнопроходный пучок (рис. 2.2), в котором трубы располагаются по сторонам шестиугольников. Данная схема размещения труб в трубном пучке используется в ТОА, расчет которого предлагается выполнить. Общее максимально возможное количество труб в пучке определяется по зависимости:
.
В случае, когда порядковый номер шестиугольника а £ 6 значение b = 1. При а > 6, поскольку появляется возможность размещения дополнительного количества труб в сегментах (между шестигранным пучком и внутренней поверхностью корпуса), b = 1,1...1,16.
|
 |
РАСЧЕТОВ КОЖУХОТРУБНОГО ТОА
При оформлении таблицы в колонке 5 помимо общих формул должны быть записаны соответствующие выражения с численными значениями для последнего случая итерации.
В качестве примера приведены результаты расчета ТОА, исходные данные для которого указаны в таблице исходных данных.
| № п/п | Определяемая величина | Обозначение | Единицы измерения | Источник или формула | Результаты расчета | |||
| номер итерации | ||||||||
| Т е п л о в о й р а с ч е т | ||||||||
| 1. | Средняя температура теплоносителя 1 |  | °С |  | 19,5 | |||
| 2. | Теплофизические свойства теплоносителя 1: | Выбираются по приложению А в зависимости от  Выбираются по приложению А в зависимости от | ||||||
| · теплопроводность |  | Вт/м∙К | 0,562 | |||||
| · вязкость |  | м2/с | 1,03 . 10-6 | |||||
| · плотность |  | кг/м3 | 1015,4 | |||||
| · теплоемкость |  | Дж/(кг∙К) | 3977,5 | |||||
| · число Прандтля |  | – | 7,41 | |||||
| 3. | Средняя температура теплоносителя 2 |  | °С |  | ||||
| 4. | Теплофизические свойства теплоносителя 2: | Выбираются по приложению А в зависимости от  | ||||||
| · теплопроводность |  | Вт/м∙К | 0,1058 | |||||
| · вязкость |  | м2/с | 3,8.10-6 | |||||
| · плотность |  | кг/м3 | 845,1 | |||||
| · теплоемкость |  | Дж/(кг∙К) | ||||||
| · число Прандтля |  | – | 61,7 | |||||
| 5. | Передаваемый тепловой поток | | Вт |  | 1,51·105 | |||
| 6. | Расход теплоносителя |  | кг/с |  | 12,66 | ||
| 7. | Большая разность температур теплоносителей | ΔtБ | оС | Определяется по значениям  (см. поясняющий рис.2.3) | |||
| 8. | Меньшая разность температур теплоносителей | ΔtМ | °С | – || – | |||
| 9. | Среднелогарифмический температурный напор (при противотоке) |   | °С |  | 58,49 | ||
| 10. | Вспомогательные параметры | Р r | – – |   | 0,0476 | ||
| 11. | Поправочный коэффициент, учитывающий схему тока |  | – | Определяется по приложению Б в зависимости от схемы тока и параметров Р и r. | 1,0 | ||
| 12. | Средний температурный напор |  | °С |  | 58,49 | ||
| 13. | Коэффициент динамической вязкости |  | Па. с |  | 1,046 . 10-3 | ||
| 14. | Максимальная и минимальная скорости теплоносителя внутри трубы |   | м/с м/с | Задается в соответствии с данными приложения Г и рекомендациями раздела 3 | 1,2 0,9 | ||
| 15. | Количество труб в пучке одного хода теплоносителя 1 |   | шт. шт. |  принимаем   принимаем  Значения  и округляются до ближайшего целого числа. | 132,28 176,4 | |||||||||||
| 16. | Общее количество труб в трубном пучке |   | шт. шт. |   принимаем z1 = 2 | ||||||||||||
| 17. | Порядковый номер шестиугольника компоновки трубного пучка | аmax amin a | – – – | amax=  amin=  Принимается большее amin ближайшее целое число | 10,33 8,88 | |||||||||||
| 18. | Уточненное максимально возможное количество труб n* в трубном пучке | n*ш n* | шт. шт. | n*ш = 3а∙(а + 1) + 1 n* = β∙n*ш , где β = 1 при а  6 , β =1,11...1,16 при а>6 | 306,2 | |||||||||||
| 19. | Количество труб в трубном пучке | n | шт. | В качестве n принимается ближайшее целое число, равное или меньшее n*, но кратное а | ||||||||||||
| 20. | Уточненное количество труб в пучке одного хода теплоносителя 1 | n1 | шт. | n1 =  | ||||||||||||
| 21. | Уточненная скорость теплоносителя 1 внутри труб | ω1 | м/с | ω1 =  | 1,037 | |||||||||||
| 22. | Число Рейнольдса | Re1 | – |  | ||||||||||||
| 23. | Приблизительное значение коэффициента теплопередачи | К* | Вт м2К | Задается приблизительно. Можно использовать приложение Е | ||||||||||||
| 24. | Площадь теплопередающей поверхности | F | м2 |  | 4,61 | 4,33 | ||||||||||
| 25. | Длина труб между трубными досками | L | м |  | 0,4 | 0,375 | ||||||||||
| 26. | Число Нуссельта | Nu1 | – | По приложению Д для соответствующего режима течения | 79,2 | |||||||||||
| 27. | Средний коэффициент теплоотдачи в трубах |  1 | Вт м2К |  | ||||||||||||
| 28. | Температура внутренней поверхности трубы |  | °C |  | 26,9 | 27,3 | ||||||||||
| 29. | Толщина стенки трубы | δC | м | δC = 0,5(d2 – d1) | 0,001 | |||||||||||
| 30. | Коэффициент теплопроводности материала стенки трубы | λC | Вт мК | Определяется по приложению З | ||||||||||||
| 31. | Термическое сопротивление загрязнения на внутренней R1 и наружной R2 поверхностях труб | R1 R2 | м2К Вт – || – | Принимается по приложению В в зависимости от вида теплоносителя | 2.10-4 3,5.10-4 | |||||||||||
| 32. | Температура наружной поверхности стенки трубы |  | °С |  | 46,7 | 48,5 | ||||||||||
| 33. | Шаг труб в трубной доске | S | м | Принимается S = (1,35...1,5).  , но не менее Smin = d2 + 0,006 | 0,018 | |||||||||||
| 34. | Наружный диаметр трубного пучка | DТП | м |  | 0,363 | |||||||||||
| 35. | Внутренний диаметр корпуса ТОА | D | м | D = DТП + d2 + 2m m = 0,006 - зазор между трубным пучком и корпусом | 0,387 | |||||||||||
| 36. | Количество ходов теплоносителя 2 в межтрубной полости | Z2 Z2 | – |   принимаем в пределах Z2min ...Z2max , рекомендуется чтобы Z2 было четным числом; для вязких теплоносителей следует принимать минимальные целые четные значения Z2 | 5,2 1,03 | 4,9 0,97 | ||||||||||
| 37. | Шаг установки диафрагм в межтрубной полости | b | м |  | 0,2 | 0,188 |
| 38. | Высота проходного окна в диафрагме | h | м |  | 0,098 | 0,096 |
| 39. | Площадь проходного сечения в межтрубной полости | f2 | м2 | f2 = b  | 0,0258 | 0,0242 |
| 40. | Скорость теплоносителя 2 в межтрубной полости | ω2 | м/с | ω2 =  | 0,574 | 0,612 |
| 41. | Число Рейнольдса для теплоносителя 2 | Re2 | – | Re2 =  | ||
| 42. | Число Нуссельта для теплоотдачи в межтрубной полости | Nu2 | – | По приложению Ж для соответствующего режима течения | 134,1 | 141,1 |
| 43. | Средний коэффициент теплоотдачи в межтрубной полости |  | Вт м2К |  | ||
| 44. | Уточненное значение коэффициента теплопередачи | К | Вт м2К |  | 596,6 | |
| 45. | Сравнение величин К* и К | е | % | е =  при е >3 % расчет повторяется с пункта 23. | 6,2 | 2,45 |
| 46. | Скорость теплоносителей в патрубках: · теплоноситель 1 · теплоноситель 2 | ω1П ω2П | м/с м/с | принимаем ω1П = ω1 принимаем ω2П = ω2 | 1,037 0,612 | 1,0 |
| 47. | Внутренние диаметры патрубков: · теплоноситель 1 · теплоноситель 2 | d1П d2П | м м | d1П = 1,13  d2П = 1,13  Проверяется условие d2П < b. В противном случае необходимо увеличить ω2П | 0,124 | |||||||||
| 0,176 | 0,14 | |||||||||||||
| 48. | Внутренний диаметр сферы крышки ТОА | DК | м | DK = D | 0,387 | |||||||||
| Г и д р а в л и ч е с к и й р а с ч е т | ||||||||||||||
| 1. | Гидравлическое сопротивление внутритрубной полости ТОА: | ΔP1 | Па |  | ||||||||||
| · на входном патрубке |  | Па |  | |||||||||||
| · на выходном патрубке |  | Па |  | |||||||||||
| · на входе в трубную доску |  | Па |  | |||||||||||
| · на выходе трубной доски |  | Па |  | |||||||||||
| · на повороте потока на 180° |  | Па |  | |||||||||||
| · по длине труб |  | Па | =  | |||||||||||
 | Значения коэффициентов   и Х3определяются по приложениям И и Л. | 1,5 1,5 1,0 1,0 2,5 0,012 1,4 | ||||||||||||
| 2. | Гидравлическое сопротивление по тракту теплоносителя 2: |   | Па |  | ||||||||||
| · на входе |  | Па |  | |||||||||||
| · на выходе |  | Па |  | |||||||||||
| · трубного пучка |  m  Re2Г  | Па – м – – |     Значение определяется по приложению К | 0,0116 1872,8 15,7 | ||||||||||
| · при обтекании диафрагм |     | Па – – – |  Значения  определяются по приложению Л | 1,5 1,0 1,5 |
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Теплопередача, учебник // К.Ю. Федоровский. – Севастополь, СевНТУ, 2012. – 302с.
2. Михеев М.А. Основы теплопередачи/ М.А. Михеев, И.М.Михеева. – М.: Энергия, 1987. – 453 с.
3. Промышленная теплоэнергетика и теплотехника: Справочник. – М.: Энергоиздат, 1991. – 588 с.
2. Теплоиспользующие установки промышленных предприятий. – М.: Высшая школа, 1985. – 384 с.
4. Промышленные тепломассообменные процессы и установки // А.М. Бакластов [и др.] – М.: Энергоатомиздат, 1986. - 328 с.
5. Теплопередача // В.П. Исаченко [и др.] – М.: Энергоиздат, 1981. – 416 с.
5. Справочник по гидравлическим сопротивлениям // И.Е. Идельчик. – М.: Машиностроение, 1975.
6. Справочник по теплообменным аппаратам // П.И. Бажан [и др.] – М.: Машиностроение, 1989. – 367 с.
8. Жукаускас А.А. Конвективный перенос в теплообменниках/А.А. Жукаускас. – М.: Наука, 1982. – 472 с.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
 |
ЗНАЧЕНИЯ ПОПРАВОЧНОГО КОЭФФИЦИЕНТА
Сведения по другим схемам тока указаны в приведенных в конце методического указания литературных источниках.
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Ориентировочные значения
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
ВНУТРИ ТРУБ
Расчет среднего по поверхности коэффициента теплоотдачи 
при ламинарном режиме течения при L/d1 > 10 и 10 < Re1 < 4∙103 проводится по зависимости:
При турбулентном режиме (4∙103 < Re1 < 5∙106) расчет теплоотдачи ведется по зависимости:
В приведенных зависимостях:
; 
Определяющая температура – средняя температура теплоносителя 
. Характерный линейный размер – d1.
При L/d1 > 50 имеем el = 1.
Для упрощения расчетов 
величиной (Pr1/Pr1c)0,25 можно пренебречь.
ПРИЛОЖЕНИЕ Е
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж
В МЕЖТРУБНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Для шахматных пучков труб:
при Re2 < 1.103 
,
при Re2 > 1.103 
,
где: 
; 
.
Определяющая температура – средняя температура 
теплоносителя 2.
Характерный линейный размер – d2.
При расчете (Pr2 / PrС2)0,25значение Pr2 определяется по таблице теплофизических свойств теплоносителя 2 при его средней температуре , а значение PrС2 – по той же таблице и для того же теплоносителя, но при температуре, равной температуре стенки .
ПРИЛОЖЕНИЕ З
КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ lc МЕТАЛЛОВ, Вт/(м.К)
| Техническая медь | |
| Технический алюминий | |
| Сплав, % : Cu (90 ) – Ni (10 ) | |
| Углеродистая сталь | |
| Титан | |
| Нержавеющая сталь |
ПРИЛОЖЕНИЕ И
ЗАВИСИМОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА
ПРИЛОЖЕНИЕ К
Зависимости ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Образец титульного листа
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Севастопольский государственный университет»
Институт кораблестроения и морского транспорта
Кафедра энергоустановок морских судов и сооружений
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Теплопередача»
на тему:
«Тепловой и гидравлический расчеты
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«Севастопольский государственный университет»
Институт кораблестроения и морского транспорта
Кафедра энергоустановок морских судов и сооружений
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
к выполнению курсовой работы работ по дисциплине
«Теплопередача»
«Тепловой и гидравлический расчеты
рекуперативного теплообменного аппарата»
для студентов направления подготовки
26.05.06 «Эксплуатация судовых энергетических уста