Тепловой расчет вертикального кожухотрубчатого теплообменника

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ  ГОСУДАРСТВЕННОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

 на тему: «Тепловой расчет вертикального кожухотрубчатого теплообменника.»

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

Студентка 3 курса, группы ТМ -31

Чепайкина С.Н.

Принял:к.т.н.доцент Новиков В.А.

 

 

 

 

Йошкар-Ола 2012

 

Техническое задание на курсовую работу

 

 

 

Студентке:  Чепайкиной Светлане, группы  ТМ-31  ,курса 3.

 

 

Произвести тепловой расчет вертикального кожухотрубчатого теплообменника для конденсации насыщенного пара бензола.

Исходные данные приведены в варианте № 4 к курсовой работе №3.

В число исходных данных входят:

- массовый расход бензола  G_б при атмосферном давлении;

- охлаждающий агент - вода с начальной температурой –t_в¹ и конечной –t_в¹¹;

- термическое сопротивление  поверхности теплообмена со стороны  бензола – 0,0001м²час*К/ккал, а со стороны воды - 0,0007м²*час*К/ккал;

- стальные трубки теплообменника  имеют наружный диаметр d_н=25мм и внутренний –d_вн=21мм;

- температура кипения  бензола при атмосферном давлении t_к=80,1⁰С, а скрытая теплота парообразования бензола – r=94,5ккал/кг;

- жидкий бензол отводится  при температуре конденсации  насыщенных паров;

- бензол в кожухотрубчатом теплообменнике конденсируется в межтрубном пространстве.

Тепловой расчёт теплообменника выполнить на основе параметров аппарата, выпускаемого серийно [1,2].

К защите курсовой работы подготовить расчётно-пояснительную  записку и эскизный чертёж подогревателя.

Рекомендуемая литература

1. Пособие по курсовой  работе по дисциплине “Теплотехника”.

2. П.Д. Лебедев, А.А.  Щукин. Теплоиспользующие установки  промышленных предприятий. “ЭНЕРГИЯ”.  М. 1999.

 

 

Срок сдачи законченной  курсовой работы  :  15.12.2012

Дата выдачи задания  : 15.11.2012

 

 

Содержание

 

Введение    …………………………………………………………………….4                                                                                                                     

2.Техническое задание на курсовую работу……………………….2

3. Теоретические основы тепловых процессов………………...6

3.1. Основные положения теплопроводности ……………………...................7

3.2. Основные положения конвективной теплоотдачи………………………9

3.3. Теория подобия………………………………………………………….....11

4 Тепловой расчёт кожухотрубчатого теплообменника……………………………………………………………………...18

4.1. Определяем основные параметры кожухотрубчатого теплообменника…………………………………………………………………………18

4.2. Тепловой расчет кожухотрубчатого теплообменника…………………………………………………………………………18

4.3.Выбор типа теплообменника……………………………………………….18

4.7.Эскиз теплообменного четырехходового аппарата ТН…………………..24

Заключение………………………………………………………………………25

5. Список использованной литературы………………………………………...26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Теплообменные аппараты чрезвычайно широко распространены в быту, промышленности и в науке. К ним относятся, например, отопительные приборы и элементы кондиционеров, радиаторы систем охлаждения транспортных двигателей, конденсаторы и котельные установки паровых турбин, теплообменники газотурбинных установок перекачки газа, теплообменные аппараты холодильных установок, теплообменники систем жизнеобеспечения в авиационной и космической технике.

В данной курсовой работе выполнены тепловые и компоновочные расчёты  теплообменного аппарата. При расчетах использовались: уравнение теплоотдачи Ньютона – Рихмана, уравнение теплопроводности плоской многослойной стенки, уравнение теплопередачи.  А также были выполнены расчеты коэффициентов теплоотдачи при течении жидкости и газа, а также при конденсации насыщенного пара на трубах и в каналах теплообменных аппаратов.

Цель  курсовой работы: закрепление теоретических знаний о распространении тепла в пространстве конвекцией, теплопроводностью и при теплопередаче; приобретение практических навыков в расчётах коэффициентов теплоотдачи при течении жидкостей и газов, а также при конденсации влажного насыщенного пара в теплообменных аппаратах; изучение правил и приёмов использования теории подобия в тепловых процессах; освоение методов расчёта теплообменных аппаратов; закрепление знаний в области устройства теплообменных аппаратов.

 

1.Задание на курсовую работу

 

Произвести тепловой расчет вертикального кожухотрубчатого теплообменника для конденсации  насыщенного пара бензола.

Исходные данные приведены в  варианте №4 к курсовой работе №3.

В число исходных данных входят:

- массовый расход бензола G_б при атмосферном давлении;

- охлаждающий агент - вода с  начальной температурой –t_в¹ и конечной –t_в¹¹;

- термическое сопротивление поверхности  теплообмена со стороны бензола  – 0,0001м²час*К/ккал, а со стороны воды - 0,0007м²*час*К/ккал;

- стальные трубки теплообменника  имеют наружный диаметр d_н=25мм и внутренний –d_вн=21мм;

- температура кипения бензола  при атмосферном давлении t_к=80,1⁰С, а скрытая теплота парообразования бензола – r=94,5ккал/кг;

- жидкий бензол отводится при  температуре конденсации насыщенных  паров;

- бензол в кожухотрубчатом теплообменнике  конденсируется в межтрубном  пространстве.

Тепловой расчёт теплообменника выполнить на основе параметров аппарата, выпускаемого серийно [1,2].

К защите курсовой работы подготовить расчётно-пояснительную  записку и эскизный чертёж подогревателя.

 

 

2.Исходные данные к курсовой работе.

 

Исходные данные к  курсовой работе №3 - тепловой расчет вертикального кожухотрубчатого теплообменника для конденсации насыщенного пара бензола приведены в таблице 1

Таблица 1. Исходные данные

Вариант   Параметр	3
Массовый расход насыщенных паров бензола при атмосферном давлении;                    кг/час	1180
Температура охлаждающей  воды на входе в подогреватель; 0С	27
Температура охлаждающей  воды на выходе из подогревателя; 0С	37

 

3. Основы инженерных тепловых и компоновочных расчётов теплообменных аппаратов.

 

3.1. Основные понятия и определения процессов переноса теплоты

 

“Теплопередача” – наука о самопроизвольном распространении теплоты в пространстве. Под распространением теплоты подразумевается обмен внутренней энергией между отдельными областями рассматриваемой среды. Перенос – распространение теплоты в теплообменных аппаратах чаще всего происходит двумя способами – теплопроводностью и конвекцией.

Теплопроводность – это молекулярный перенос теплоты в телах или между телами, происходящий в результате переменности температуры вещества в рассматриваемом пространстве.

В отличие от теплопроводности, конвекция – это перенос теплоты, происходящий при перемещении объёмов  жидкости или газа в пространстве из области с одной температурой в область с другой температурой. Из этого следует, что конвекция возможна только лишь в текучей среде.

Теплопроводность в  чистом виде существует лишь в твёрдых телах и, напротив, конвекция теплоты всегда сопровождается теплопроводностью. Совместный перенос теплоты конвекцией и теплопроводностью называется конвективным теплообменом. Например, в инженерных расчётах теплообменных аппаратов практически всегда возникает необходимость определить конвективный теплообмен между поверхностью твёрдого тела (матрицей теплообменника) и потоком жидкости или газа. Такой перенос теплоты называется конвективной теплоотдачей или теплоотдачей.

Процессы теплообмена  в теплообменных аппаратах могут  протекать и в чистых веществах  и в разных смесях, при изменении  и без изменения агрегатного  состояния вещества. Во всех этих случаях теплообмен протекает по особому и описывается различными уравнениями.

 

3.2. Основные положения теплопроводности; гипотеза Фурье

 

Ранее было отмечено, что  теплопроводность, как и другие виды переноса теплоты в пространстве, наблюдается только лишь в случае, когда в точках рассматриваемой области температура неодинакова. Поэтому важное значение в описании теплопроводности имеет понятие температурного поля и градиент температур поля.

Температурное поле – это совокупность значений температуры во всех точках рассматриваемого пространства в каждый момент времени. Совокупность точек пространства, имеющих одинаковую температуру, образует изотермическую поверхность. Из опыта известно, что наибольшее изменение температуры на единицу длины наблюдается в направлении нормалей к изотермической поверхности. Вектор, совпадающий с нормалью к изотермической поверхности, направленный в сторону возрастания температуры и численно равный производной от температуры по нормали, называется градиентом температуры:

grad(t) = n*∂t/∂n,

 

где:

n  - единичный вектор к изотермической поверхности, направленный в сторону большей температуры;

∂t/∂n - производная температуры по нормали.

Опытом установлено, что  коэффициент пропорциональности в  этом уравнении λ представляет собой физический параметр, характеризующий способность вещества “проводить” теплоту. Этот параметр λ называется коэффициентом теплопроводности.

Значения коэффициента теплопроводности различных веществ  и материалов приведены в многочисленных теплотехнических справочниках, а необходимые  для выполнения курсовой работы значения коэффициентов приведены в приложении к этому методическому пособию.

В инженерной и научной  практике часто используется понятие  плотности теплового потока или  мощности удельного теплового потока - q. Это понятие определяет количество теплоты, проходящей через единицу площади изотермической поверхности в единицу времени.

q = - λ*(∂t/∂n)

Из этого соотношения  видно, что коэффициент теплопроводности равен плотности теплового потока при градиенте температур равном 1°С/м, а размерность коэффициента теплопроводности – Вт/(м*°С) или ккал/(час*м*°С).

Количество теплоты  измеряется в тех же единицах, что  и энергия или работа – в  Дж или в ккал (1ккал = 427кгм = 4187Дж), а плотность теплового потока – соответственно в единицах мощности на квадратный метр – в Вт/м² или в ккал/(час*м²); (1 ккал/час = 1,1636кВт).

 

 

 

3.3. Основные положения конвективной теплоотдачи

 

3.3.1. Закон Ньютона - Рихмана

 

В расчётах теплоотдачи используют закон Ньютона – Рихмана. Этот закон представляет из себя зависимость для определения теплового потока, которым обмениваются твёрдая стенка и текучая среда (жидкость или газ). Тепловой поток - это количество теплоты, протекающее через какую либо поверхность в единицу времени. В соответствии с этим определением тепловой поток измеряется в единицах мощности – в Вт.

Итак, тепловой поток пропорционален элементарной площади поверхности соприкосновения жидкости и твёрдой стенки dF и разности температур твёрдой стенки и жидкости (газа):

dQ = α*(t_с – t_ж)*dF,

В этой зависимости:

t_с и t_ж – локальная (местная) температура твёрдой поверхности и температура текучей среды (жидкости или газа) соответственно. Разность этих температур называют температурным напором;

α – коэффициент пропорциональности, который называют коэффициентом теплоотдачи.

Из уравнения Ньютона  – Рихмана несложно сформулировать физическое определение коэффициента теплоотдачи как плотность теплового  потока q между поверхностью твёрдого тела и текучей средой при температурном напоре равном 1°С. Размерность коэффициента теплоотдачи Вт/(м²*°С) или ккал/(час*м²*°С).

В инженерных расчётах теплообменных  аппаратов нередко используют средние  интегральные по поверхности величины коэффициентов теплоотдачи и  температурного напора и тогда уравнение Ньютона – Рихмана может быть записано не в дифференциальной, а в конечной форме:

Q = α*(t_с – t_ж)*F.

Такой подход кардинальным образом упрощает расчёты курсовой работы. Однако и в этом случае сохраняется проблема – сложность определения коэффициента теплоотдачи.