Расчет теплообменного аппарата кожухотрубчатого типа

ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ

 

Кафедра «Химической технологии и  промышленной экологии»

Самарского государственного технического университета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА №2

Расчет теплообменного аппарата кожухотрубчатого типа

 

 

 

 

Выполнил: студент 3 - ИТ - III

Шибаев Владимир

____________

(подпись)

 

 

Проверил: Филлипов В.В.

_____________

(подпись)

 

Содержание.

 

1. Задание на расчет кожухотрубчатого теплообменника………………….…1
2. Расчет кожухотрубчатого теплообменника:
1. Расчет средней разницы температур между теплоносителями........2
2. Расчет средней температуры каждого теплоносителя….......……...2
3. Теплофизические свойства теплоносителей при их средних температурах………………………………………………………………………2
4. Расчет объемного и массового расхода теплоносителя.....................3
5. Расчет тепловой нагрузки на аппарат..................................................3
6. Расчет массового и объемного расхода хладагента...........................3
7. Расчет средней скорости потока хладагента.......................................3
8. Расчет критерия Рейнольдса и режим движения каждого потока....3
9. Расчет ориентировочных коэффициентов теплоотдачи для каждого потока……………………………………………………………………………...3
10. Расчет ориентировочного коэффициента теплопередачи без учета загрязнения стенки..................................................................................................5
11. Расчет ориентировочного коэффициента теплопередачи с учета загрязнения стенки..................................................................................................5
12. Расчет температуры стенки со стороны каждого потока и перерасчет значений коэффициентов теплопередачи, теплоотдачи, удельной теплопроводимости................................................................................................5
13. Расчет необходимой площади теплообмена......................................7
14. Подбор диаметров штуцеров для ввода и вывода потоков...............7
15. Расчет гидравлического сопротивления трубного и межтрубного пространств, исходя из допустимых скоростей их движения...........................7
3. Выводы и рекомендации..................................................................................9
4. Библиография...................................................................................................10

 

РАСЧЕТ КОЖУХОТРУБЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

 

1. Расчет средней разницы температур между теплоносителями

Для этого определим  среднюю разность температур при  прямотоке теплоносителей:

100. 50
20. 40
80. 10

Для этого определим  среднюю разность температур при  противотоке теплоносителей:

100. 50
40. 20
60. 30

Так как внутри двух ходового кожухотрубчатого теплообменника нет  четко определенного тока теплоносителей, то найдем среднюю температуру между  противотоком и прямотоком, которая  и будет использоваться в дальнейших расчетах:

2. Рассчитаем среднюю температуру каждого теплоносителя:

3. Выпишем теплофизические свойства теплоносителей при их средних температурах.

Таблица 1

 

Горячий теплоноситель (1)				Хладагент (2)
октан				вода
ρ1, кг/м3	С1, Дж/кг К	μ1, Па с	λ1, Вт/(м К)	ρ2, кг/м3	С2, Дж/кг К	μ2, Па с	λ2, Вт/(м К)
657	2056	0,000306	0,1095	996	4180	0,000804	0,618

 

4. Рассчитаем массовый и объемный расходы теплоносителя:

5. Рассчитаем тепловую нагрузку аппарата:

Так как в заданном нам процессе не происходит изменение агрегатного состояние ни вещества теплоносителя, ни вещества хладагента, то тепловая нагрузка находится по формуле

6. Рассчитаем массовый и объемный расход хладагента:

Исходя из теплового  баланса и ранее найденной  тепловой нагрузки на аппарат, получим:

7. Рассчитаем среднюю скорость хладагента:

8. Рассчитаем критерий Рейнольдса и режим движения каждого потока:

- развитое турбулентное движение

- развитое турбулентное движение

9. Рассчитаем ориентировочные коэффициенты теплоотдачи для каждого потока.

Коэффициент теплоотдачи  находится по формуле  . Для расчета необходимо подобрать критериальное уравнение расчета критерия Нуссельта.

Так как горячий поток  движется турбулентно в прямых трубах, то критериальное уравнение для  расчета критерия Нуссельта будет выглядеть так:

, где  для охлаждающихся жидкостей при допустимой погрешности, - коэффициент зависящий от геометрии аппарата и режима движения потока берется их таблицы 2, - критерий Прандтля.

Таблица 2

 

Значение Re	Отношение L/d
	10	20	30	40	50 и более
10000	1,23	1,13	1,07	1,03	1
20000	1,18	1,1	1,05	1,02	1
50000	1,13	1,08	1,04	1,02	1
100000	1,1	1,06	1,03	1,02	1
1000000	1,05	1,03	1,02	1,01	1

 

Коэффициент Прандтля находится по формуле:

Подставляя вышеполученное, находим критерий Нуссельта и ориентировочный коэффициент теплоотдачи:

Так как холодный поток  поперечно обтекает пучок гладких труб при их шахматном расположении, при турбулентном режиме движения жидкости, то критериальное уравнение для нахождения критерия Нуссельта имеет вид:

, где  - критерий Прандтля, для нагревающихся жидкостей при допустимой погрешности, - коэффициент учитывающий влияние угла атаки φ находится по таблице 3.

Таблица 3

 

φ	90	80	70	60	50	40	30	20	10
	1	1	0,98	0,94	0,88	0,78	0,67	0,52	0,42

 

Коэффициент Прандтля находится  по формуле:

Подставляя вышеполученное, находим критерий Нуссельта и ориентировочный коэффициент теплоотдачи:

10. Рассчитаем ориентировочный коэффициент теплопередачи без учета загрязнений стенки

, где  - коэффициент теплопроводности стенки теплообменника

11. Рассчитаем ориентировочный коэффициент теплопередачи с учета загрязнений стенки

Найдем термическое  сопротивление стенки и загрязнений:

Ориентировочный коэффициент  теплопередачи с учетом загрязнения  стенки:

12. Рассчитаем температуру стенки со стороны каждого потока и перерасчет значений коэффициентов теплопередачи, теплоотдачи, удельной теплопроводимости.

 

Определим ориентировочно значения и , исходя из того что

, где сумма 

Найдем:

Проверка суммы  :

Исходя из этого, получим

Введем поправку к  коэффициенту теплоотдачи, определив .

Критерий Прандтля для  октана при 

, где  - найдены с помощью метода кусочно-линейной интерполяции и сведены в таблицу 4.

Таблица 4

 

Св-ва потока (1) при t'ст1
Сст1, Дж/кг К	μст1, Па с	λст1, Вт/м К
2105,35684	0,00036	0,14824

 

Критерий Прандтля для  воды при 

, где  - найдены с помощью метода кусочно-линейной интерполяции и сведены в таблицу 5.

Таблица 5

 

Свойства потока (2) при t'ст2
Сст2, Дж/кг К	μст2, Па с	λст2, Вт/м К
4180	0,0007	0,6328

 

Коэффициенты теплоотдачи:

- для октана

- для воды

Исправленные значения К, q, tст1, tст2

Дальнейшее уточнение  α1, α2 и других величин не требуется, так как расхождение между α1, и α2, и других не превышает 5%.

13. Рассчитаем необходимую площадь поверхности теплообмена:

С запасом в 10%

14. Подберем диаметры штуцеров для ввода и вывода потоков, исходя из допустимых скоростей их движения:

Выбираем из стандартного ряда диаметр входного и выходного  штуцера для горячего потока

 

Выбираем из стандартного ряда диаметр входного и выходного штуцера для холодного потока , так как расчетное значение больше чем стандартное изделие, то необходимо увеличить количество штуцеров для холодного потока.

15. Рассчитаем гидравлическое сопротивление трубного и межтрубного пространств.

Гидравлическое сопротивление  в трубном и межтрубном пространстве складывается потерь на трение и местных  сопротивлений.

, где  - формула Блазиуса, для турбулентного движения в гладких трубах, - сумма коэффициентов учитывающих разные местные сопротивления, в частности для трубного пространства характерны местные сопротивления вида: «вход в трубу», «выход из трубы», где таких местных сопротивлений n штук (n – количество трубок). Исходя из этого .

 

Тогда гидравлическое сопротивление:

 

Гидравлическое сопротивление  в межтрубном пространстве:

, где  - сумма коэффициентов учитывающих разные местные сопротивления, в частности для трубного пространства характерны местные сопротивления вида: «вход в трубу», «выход из трубы», «внезапное расширение», «внезапное сужение», «поворот потока».