Практическая работа по ПМ.01 МДК.01.01.Эксплуатация, рапсчет и выбор теплопотребляющих установок и систем тепло- и топливоснабжения

Лекция № 14
Тема: Тепловой расчет теплообменных аппаратов
Ход работы:
Теплообменник - это конструкторское оборудование и изготавливается только после теплового расчета . В ходе расчета подбирается рама, количество и компановка пластин, материал уплотнений удовлетворяющее его тепловой нагрузке, температурными графиками и допустимыми потерями по напору.
Любой теплообменник имеет два контура, в которых и осуществляется теплообмен между средами путем конвекции.
Тепловая нагрузка (р) или массовый расход- это количество тепла, которое должно поступать на одну сторону теплообменника и, соответственно, отдаваться его другой стороной. Измеряется в кВт или ккал/ч и определяется проектными организациями.
Если тепловая нагрузка неизвестна, то потребуются параметры массового расхода среды - измеряется в кг/с или кг/ч и означает, какая масса теплоносителя должна пройти через теплообменник в секунду или час.
Если же и массовый расход среды неизвестен, то нужно взять показатель объемного расхода (измеряется в м3/ч или в л/ч) и умножить его на плотность среды.
Температурные показатели
Чтобы рассчитать теплообменник , обязательно нужно знать характер изменения температуры рабочей среды обоих контуров, то есть разницу между температурными показателями на входе и выходе из каждого контура. Для этого потребуется указать:
Т1 и Т2 – температуру на входе и выходе горячего контура;
Т3-Т4 – вход и выход холодного контура.
Чем больше разница между температурами Т1/Т2 и Т3/Т4 – тем дешевле и компактнее теплообменник .Допустимые потери по напору (∆p) - данный показатель влияет на размеры будущей конструкции – чем он больше, тем компактней теплообменник.
При расчете теплообменника для технологических нужд могут понадобиться характеристики нестандартной среды теплообмена:
- вязкость при температуре на входе и при температуре на выходе
- плотность
- удельная теплоемкость
- теплопроводность
1. Порядок расчета теплообменного аппарата
Исходными данными для простейшего теплового расчета являются: расход одного из теплоносителей и температуры обоих теплоносителей на входе и на выходе из аппарата. Расчет поверхности теплообмена состоит из следующих основных стадий:
1. Определение тепловой нагрузки аппарата, средней движущей силы и средних температур теплоносителей.
2. Определение расхода второго вещества из теплового баланса.
3. Определение ориентировочной площади поверхности теплообмена, а также выбор размеров теплообменных труб и, если возможно, расчет необходимого их количества при обеспечении заданного режима движения теплоносителей.
4. Предварительный выбор нормализованного теплообменника по принятым параметрам. Выписываются те фиксированные геометрические размеры аппарата, которые будут фигурировать в расчете (внутренний диаметр кожуха, число теплообменных труб и т.д.). Параметры, которые не будут непосредственно участвовать в расчете, можно варьировать для обеспечения расчетной поверхности теплообмена при окончательном выборе нормализованного аппарата.
5. Определение частных коэффициентов теплоотдачи для обоих теплоносителей с использованием критериальных уравнений для соответствующих тепловых процессов, режимов теплоносителей, геометрического расположения труб и т.д. Определение термических сопротивлений стенок и загрязнений со стороны горячего и холодного теплоносителей.
6. Определение общего коэффициента теплопередачи и уточнение температур стенки со стороны горячего и холодного теплоносителей. Пересчет коэффициента теплопередачи.
7. Определение расчетной поверхности теплообмена по основному уравнению теплопередачи и окончательный выбор нормализованного теплообменника. Определение запаса поверхности теплообмена, необходимого для обеспечения длительной работы аппарата, так как на поверхности труб и кожуха образуются разного вида загрязнения (отложение нерастворимых осадков, накипеобразование, ржавчина и т.д.), которые снижают эффективность процесса теплообмена, уменьшая коэффициент теплопередачи.
2. Тепловой расчет
Задание
Рассчитать и выбрать кожухотрубчатый нагреватель для охлаждения 15000 кг/ч воздуха от t1 / =4000 C до t1 //= 500C при давлении Р= 2,2·105 Па
2.1 Определение поверхности нагрева и основных размеров теплообменника
Поскольку род нагреваемого теплоносителя не задан в условии, принимаем для расчета воду с начальной температурой на входе t'2 = 10ºС и расходом G2 = 20 кг/сек. Вода движется по трубкам, воздух в межтрубном пространстве.
Находим эквиваленты теплоносителей (водяной эквивалент или полная теплоемкость массового расхода теплоносителя – представляет собой произведение массового расхода теплоносителя на удельную теплоемкость):
Эквивалент воздуха
,
где G1 – массовый расход воздуха,
G1 = 15000 кг/ч = 15000/3600=4,167 кг/сек.
с1 – массовая теплоемкость воздуха, определяем по средней температуре воздуха
t1ср = (t1 / + t1 //) / 2=(400+50) / 2=225ºС
по справочнику (Приложение 1) с1 = 1,032 кДж/(кг·К);
,
Эквивалент для нагреваемого теплоносителя:
,
где G2 – массовый расход воды,
G2 = 20,0 кг/сек.
с2 –теплоемкость воды = 4,19 кДж/ кг .К
Поскольку данная величина меняется незначительно при относительно низких температурах, принимаем по справочнику с2 =4,19 кДж/(кг·К).
,
Далее определяем температуру нагреваемого теплоносителя на выходе из аппарата:
,
отсюда:

Выбираем схему движения – противоток, т.к. она выгоднее экономически, имея по сравнению с прямотоком меньшую поверхность нагрева.

Определяем средний температурный напор:

Расход теплоты на нагревание воды:

Для ориентировочного определения максимальной поверхности теплообмена необходимо задаться коэффициентом теплопередачи. Принимаем k = 30 Вт/(м2·К).
Тогда максимальная поверхность теплообмена составит:

Средняя температура воды:
t2ср =( t'2 + t//2) / 2= (10+28) / 2=19ºС
При этой температуре находим по приложению 1:
плотность воды: ρ2 = 995,7 кг/м3;
коэффициент теплопроводности: λ2 = 0,612 Вт/(м·К);
коэффициент динамической вязкости: μ2 = 801,5·10-6 Па·с.
Внутренний диаметр трубок теплообменника принимаем: d2 = 21мм= 0,021м
Вычисляем среднюю скорость течения воды в трубках, которая должна быть для обеспечения турбулентного режима:

Число труб на один ход теплообменника при турбулентном режиме:

где V2 – объемный расход воды в трубках,
V2 = G2 /ρ2 ;
ρ2=995,7кг/м3
V2=20/995,7=0,02 м3/с.

Задаваясь условиями Fт ˂336 м2 выбираем ИЗ Приложения 2 наиболее простой кожухотрубный теплообменник со следующими характеристиками:
количество ходов: z = 1
площадь поверхности нагрева: F = 329м2;
общее число труб : nТ = 465шт;
диаметр кожуха: D = 800 мм = 0,8 м
диаметр труб: 25*2;
длина секции l = 9м.
2.2 Проверочный расчет теплообменника
2.2.1. Определение коэффициентов теплоотдачи
Уточняем критерий Рейнольдса:

Получаем переходной режим течения жидкости в трубках, 10000˃Re ˃2320
при t2ср = 19ºС находим в справочнике значение критерия Прандтля для воды
Pr2 = 5,45Рассчитываем критерий Нуссельта:

Коэффициент теплоотдачи к нагреваемой воде:

Выписываем недостающие физические свойства воздуха при температуре
t1ср = 225ºС из Приложения 3:
λ1 = 4,1·10-2 Вт/(м·К);
Pr1 = 0,679;
ν1 = 37,73·10-6 м2/с.
ρ2 = 0,71 м3/сек.
Объемный расход воздуха:

Скорость течения воздуха в межтрубном пространстве:

Число Рейнольдса:

Критерий Нуссельта для шахматных пучков при Re˃ 1000 вычисляем по формуле:
;
ɛф=0,6

Коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенке трубы:
,
где Dэкв – эквивалентный диаметр межтрубного пространства, м
2.2.2 Определение коэффициента теплопередачи
Коэффициент теплопередачи:
,
где R – термическое сопротивление теплопроводности загрязнений наружных и внутренних поверхностей трубок и термическое сопротивление теплопроводности материала трубок, принимаем, согласно методических указаний, 1/R = 2580

Расчетная площадь поверхности теплообмена:

Запас поверхности нагрева:

Вывод:
Список литературы
1. В.В. Нащокин. Техническая термодинамика и теплопередача. Учебн. пособие для неэнергетических специальностей вузов. М. «Высшая школа» 1975. 496 с. с ил.2. М.А. Михеев, И.М. Михеева Основы теплопередачи. Изд. 2-е, стереотип. М., «Энергия», 1977. 344 с. с ил. 2. Баскаков П.А. Теплотехника. М.: Энергоатомиздат, 1991, 224 с.
3. Романков, П.Г. Методы расчета процессов и аппаратов химической технологии (примеры и задачи) / П.Г. Романков, В.Ф. Фролов, О.М. Флисюк, и др. Л. : Химия, 1993, 496 с.