Рекуперативный теплообменный аппарат типа «Труба в трубе»

Таблица 1 – Исходные данные

Пара-метры	Номерварианта
Пара-метры	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15
, °С	400	370	450	415	385	460	510	500	480	390	400	370	450	415	385
, °С	165	200	215	250	260	270	280	230	250	225	165	200	215	250	260
, °С	5	5	5	5	5	10	10	10	10	15	15	15	15	15	15
, °С	80	80	80	80	80	140	75	75	75	70	70	65	65	65	65
М₁, кг/с	1,5	–	1,8	–	1,5	–	1,8	–	2,0	–	2,0	–	2,4	–	2,4
М₂, кг/с	–	4,5	–	4,0	–	3,5	–	3,0	–	2,5	–	2,0	–	1,5	–
α₁·10^–1	42	42	40	40	38	38	35	35	32	32	30	30	28	28	26
α₂·10^–2	26	42	28	35	30	30	32	28	35	25	38	20	40	23	27
Распо-ложе-ние труб	Г	Г	В	В	Г	Г	В	В	Г	Г	В	В	Г	Г	В
матер.	С	Л	С	Л	С	Л	С	Л	С	Л	С	Л	С	Л	С

Продолжение таблицы 1

Пара-метры	Номерварианта
Пара-метры	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30
, °С	400	370	450	415	385	460	510	500	480	390	400	370	450	415	385
, °С	165	200	215	250	260	270	280	230	250	225	165	200	215	250	260
, °С	20	20	20	20	20	25	25	25	25	25	30	30	30	30	30
, °С	60	60	60	60	65	65	65	65	70	70	70	70	75	75	75
М₁, кг/с	0,5	–	0,8	–	1,5	–	1,8	–	2,0	–	2,2	–	2,4	–	2,6
М₂, кг/с	–	4,5	–	4,0	–	3,5	–	3,0	–	2,5	–	2,0	–	1,5	–
α₁·10^–1	42	42	40	40	38	38	35	35	32	32	30	30	28	28	26
α₂·10^–2	26	42	28	35	30	30	32	28	35	25	38	20	40	23	27
Распо-ложе-ние труб	Г	Г	В	В	Г	Г	В	В	Г	Г	В	В	Г	Г	В
матер.	С	Л	С	Л	С	Л	С	Л	С	Л	С	Л	С	Л	С

Греющий теплоноситель –дымовые газы, которые движутся в межтрубном пространстве.

нагреваемый теплоноситель – вода, которая движется по внутренней трубе.

Теплообменник выполнен из металлических труб.

Параметры:

· – начальная температура греющего теплоносителя, ° С;

· конечная температура греющего теплоносителя, ° С;

· – начальная температура нагреваемого теплоносителя, ° С;

· – конечная температура нагреваемого теплоносителя, ° С;

· М₁– расход греющего теплоносителя, кг/с;

· М₂ – расход нагреваемого теплоносителя, кг/с;

· α₁ – коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя к поверхности внутренней трубы, Вт/(м²×К);

· α₂ – коэффициент теплоотдачи от поверхности внутренней трубы к нагреваемому теплоносителю, Вт/(м²×К);

· d₁, d₂ – внутренний и наружный диаметр внутренней трубы, м, d₁ = 33·10^–3, d₂ = 38·10^–3, δ – толщина стенки труб, м, δ = 10^–3(38 – 33)/2 = 2,5·10^{– 3} = 0,0025;

· материал труб: сталь – С; латунь – Л;

· расположение труб: горизонтальное – Г; вертикальное – В;

· λ – коэффициент теплопроводности материала стенки труб, Вт/(м×К): сталь – 50; латунь – 100.

Задание

1. определить

(для прямоточной и противоточной схемы движения теплоносителей):

1.1) тепловую мощность Q, Вт, передаваемую от греющего теплоносителя к нагреваемому теплоносителю;

1.2) неизвестный расход М, кг/с, одного из теплоносителей;

1.3) средний температурный напор ∆ t_ср;

1.4) коэффициент теплоотдачи k, Вт/ (м²×K);

1.5) площадь поверхности нагрева F, м2.

2. Вычертить по результатам расчета графики изменения температуры теплоносителей при прямоточнойи противоточнойсхемедвижения теплоносителей и принципиальную схему теплообменника.

3. выводы.

4. ответить на контрольные вопросы:

· какое устройство называется теплообменным аппаратом?

· какие типы теплообменных аппаратов вы знаете?

· схемы движения теплоносителей в теплообменных аппаратах?

· какие уравнения положены в основу теплового расчета теплообменнников?

· какие процессы передачи теплоты происходят в рекуперативном теплообменнике «труба в трубе»?

· в каком случае можно рассчитывать коэффициент теплопередач по формулам полоской пластины?

Общие теоретические положения

Устройства, предназначенные для передачи теплоты от одной среды к другой, называют теплообменными аппаратами или теплообменниками.

Среды, участвующие в процессе теплообмена, называют теплоносителями. Теплоносителями могут быть газы, жидкости, пары.

1. По принципу действия и конструктивному исполнению все устройства подразделяются на теплообменники:

· поверхностные;

· контактные (смесительные);

· с внутренним источником теплоты.

Поверхностные теплообменники – устройства, в которых процесс передачи теплоты связан с поверхностью твердого тела, то есть теплообмен от одной среды к другой происходит через разделительную стенку. Они, в свою очередь, разделяются на теплообменники: рекуперативные; регенеративные.

Рекуперативные поверхностные теплообменники – такие устройства, где два теплоносителя с различными температурами текут в пространствах, разделенных твердой стенкой (калориферы, отопительные приборы, конденсаторы, парогенераторы).

В зависимости от взаимного направления движения теплоносителей (сред) подразделяются на теплообменники:

· прямоточные теплообменники, когда теплоносители движутся в одном направлении;

· противоточные теплообменники, когда теплоносители движутся в противоположных направлениях;

· смешанные теплообменники, когда в одних частях теплообменника – прямоточное движение, в других – противоточное;

· перекрестные
, когда в теплообменниках теплоносители движутся в перекрестном направлении.

Регенеративные поверхностные теплообменники– устройства, в которых одна и та же поверхность нагрева через определенные промежутки времени омываются попеременно то горячей средой, то холодной средой (воздухоподогреватели мартеновских и доменных печей). Передача теплотыосуществляется с помощью специальных насадок (керамических тел, металлической стружки, гофрированной ленты и т. д.) – аккумуляторов теплоты, которые поочередно и омываются то горячим, то холодным теплоносителем.

Контактные (смесительные) теплообменники – устройства, в которых процесс тепломассообмена происходит при непосредственном соприкосновении и перемешивании теплоносителей (градирни,деаэраторы).

Теплообменники с внутренними источниками теплоты – устройства с одним теплоносителем, в котором отводится теплота, выделенная в самом теплообменнике (электронагреватели, ядерные реакторы).

2. По назначениюподразделяются на: подогреватели; испарители; холодильники; конденсаторы.

3. по конфигурации поверхностей теплообменамогут быть: трубчатые; змеевиковые; пластинчатые; спиралеобразные.

Наиболее часто в практике встречаются рекуперативные поверхностные теплообменники.

Простейшим представителем такого теплообменника является теплообменник «труба в трубе» (рисунок 1), в котором один из теплоносителей проходит по внутренней трубе, второй – кольцевом зазоре между трубами. Этот теплообменник применяют при небольших значениях передаваемого теплового потока Q, Вт, (например, местное горячее водоснабжение), так как противном случае он становится громоздким и металлоемким.

Несмотря на различия в принципе действия и в конструктивном устройстве, основы теплового расчета одинаковы для всех теплообменных аппаратов.

1 – внутренняя труба; 2 – наружная труба; 3 – соединительная труба;

4 – соединительный штуцер; I, II – вход и выход теплоносителей

Рисунок 1 – Теплообменник типа «труба в трубе»

В основу теплового расчета положены два уравнения:

1. Уравнение теплового баланса:

(1)

(2)

где с₁, с₂ – удельная теплоемкость (при р = const) греющего и нагреваемого теплоносителя, кДж/(кг·К);

η_t– поверхностный КПД теплообменника, η_t = 0,90…0.95 (при хорошей теплоизоляции корпуса теплообменника);

М₁, М₂ – массовый расход, кг/с, соответственно горячего (греющего) и холодного (нагреваемого) теплоносителя;

– начальная и конечная температура греющего (горячего) теплоносителя, ºС;

– начальная и конечная температура нагреваемого (холодного) теплоносителя, ºС;

– начальная и конечная удельная энтальпия греющего (греющего) теплоносителя, Дж/кг;

– начальная и конечная удельная энтальпия нагреваемого (холодного) теплоносителя, Дж/кг

2. Уравнение теплопередачи:

(3)

где F – площадь поверхность теплообмена, м²;

∆t_ср – средний температурный напор (перепад), град;

к – коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·град).

(4.а)

(4.б)

где∆t_б, ∆t_м– температурный перепад теплоносителей соответственно средний, больший и меньший на концах теплообменника.

В прямоточном теплообменнике значение ∆t_бвсегда равно разности температур теплоносителей на входе в теплообменник, ∆t_б = (t₁^| – t₁^||), ∆t_м – на выходе из него, ∆t_м= (t₂^| – t₂^||).

В противоточном теплообменнике ∆t_б равно разности температур теплоносителей на входе греющего и на выходе нагреваемого, ∆t_б = (t₁^| – t₂^||), а ∆t_м равно разности температур теплоносителей на входе нагреваемого и на выходе греющего, ∆t_м= (t₂^|| – t₁^|).

При значении (∆t_б/∆t_м) < 2 можно ∆t_сропределять по формуле (4а) и погрешность не будет превышать 4 %.

Коэффициент теплопередачи плоской и цилиндрической стенки, Вт/(кг·К),

(5.а)

(5.б)

где α₁ – коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя к поверхности внутренней трубы, Вт/(м²×К);

α₂ – коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности внутренней трубы к нагреваемому теплоносителю, Вт/(м²×К);

d_ст – толщина стенки труб, м;

λ – коэффициент теплопроводности материала стенки труб, Вт/(м×К);

d₁, d₂, d_ср – внутренний, наружный и средний диаметр внутренней трубы, м.

если α₁ > α₂, то d_ср = d_н; если α₁ ≈ α₂, то d_ср = 0,5(d_н + d_в), если α₁ < α₂, то d_ср = d_в.

При d₂/d₁ ≤ 1,5 или когда погрешность, %, при определении коэффициента теплопередачи по формулам (5а) и (5б) составляет не более 4% кривизной стенки можно пренебречь и использовать формулу (5а)

Пример расчета

Исходные данные: = 385 °С; = 240 °С; = 5°С; = 70°С;

М₂ = 1,5 кг/с; α₁ = 280 Вт/(м²×К); α₂ = 2300 Вт/(м²· град); d = 2,5мм;

расположение труб – горизонтальное; материал труб – латунь, λ = 100 Вт/(м·К).

Расчет

1.1 тепловая мощностьрекуператора Q, кВт, определяется по формуле теплового баланса:

(1)

где М₁, М₂ – массовые расходы теплоносителей (греющего и нагреваемого), кг/с;

с₁, с₂ – удельная теплоемкость (при р = const) греющего и нагреваемого теплоносителя, кДж/(кг×К), с₁ = 1 (углекислый газ); с₂= 4,19 (вода);

η_t– поверхностный КПД теплообменника, η_t = 0,90…0.95.

М₂ = 1,5 кг/с; с₂ = 4,19 кДж/(кг×К); = 30 °C; = 5 °C.

Q = 1,5 ×4.19×(70 – 5) = 408,525 кВт.

1.2 расход теплоносителя(дымовых газов) М₁, кг/с, определяется из формулы теплового баланса (1):

кг/с.

1.3 средний температурный напор∆ t_ср, определяется по формуле:

(2)

где∆t_ср, ∆t_б, ∆t_м – температурный перепад теплоносителей соответственно средний, больший и меньший на концах теплообменника.

При значении (∆t_б/∆t_м) < 1,7 можно ∆t_ср определять по формуле (4а) и погрешность не будет превышать 4 %.

Прямоток: ∆t_б = 385 – 5 = 380; ∆t_м = 240 – 70 = 170;

> 1,7;

Противоток: ∆t_б = 385 – 70 = 315; ∆t_м = 240 – 5 = 235;

коэффициент теплоотдачи k, Вт/ (м²·K), по формулам:

(3.а)

(3.б)

где α₁ – коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя к поверхности внутренней трубы, Вт/(м²×К), 280;

α₂ – коэффициент теплоотдачи от поверхности внутренней трубы к нагреваемому теплоносителю, Вт/(м²×К), 2300;

d_ст – толщина стенки труб, м, d = 2,5·10^–3;

λ_ст – коэффициент теплопроводности материала стенки труб, Вт/(м×К), λ = 100;

d₁, d₂, d_ср – внутренний, наружный и средний диаметр внутренней трубы, м, d₁ = 33·10^–3, d₂ = 38·10^–3.

если α₁ > α₂, то d_ср = d_н (d₂); если α₁ ≈ α₂, то d_ср = 0,5(d_н + d_в), если α₁ < α₂, то d_ср = d_в (d₁), так как α₁ < α₂, следовательно, d_ср = 33·10^–3.

При d₂/d₁ ≤ 1,5 кривизной стенки можно пренебречь и использовать формулу (4 а) для плоской стенки.

d₂/d₁ = 38/33 = 1,15 ≤ 1,5, следовательно, расчет коэффициента теплопередачи по формуле (4 а).

так как α₁ < α₂, следовательно, d_ср = d_в = 33·10^–3 м.

Вт/(м²×K) = 0,25 кВт/(м²·К).

Погрешность, %, при определении коэффициента теплопередачи по формулам (3а) и (3б):

следовательно, в расчет принимаем коэффициент теплопередачи по формуле (3б).

площадь поверхности нагреваF, м² , определяется по формуле:

(4)

где k – коэффициент теплопередачи теплообменника, Вт/(м²×К).

Прямоток: м².

Противоток:

Дата добавления: 2018-05-02; просмотров: 1058; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!