Сучугов Б.Н.,Чернышов В.В.

Российская Федерация

Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище

(военный институт) имени генерала армии В.Ф. Маргелова

 

ФАКУЛЬТЕТ КОММУНИКАЦИЙ И АВТОМОБИЛЬНОГО ТРАНСПОРТА

 

 

Т Е П Л О Т Е Х Н И К А

Методические указания

На выполнение курсовой работы

по дисциплине «Теплотехника»:

«Расчет теплообменного аппарата»

Рязань 2010

Сучугов Б.Н.,Чернышов В.В.

 

К654. Теплотехника: Методические указания на выполнение курсовой работы по дисциплине «Теплотехника» «Расчет теплообменного аппарата» / Сучугов Б.Н., Чернышов В.В..[ Текст ] – Рязань: РВВДКУ (факультет К и АТ), 2010 - 29 с.

В методических указаниях приведены сведения, необходимые для выполнения курсовой работы по дисциплине «Теплотехника».

Методические указания предназначены для студентов, обучающихся по специальности 150200 (190601.65) «Автомобили и автомобильное хозяйство», специализация 150201 «Техническая эксплуатация автомобилей», всех форм обучения (программа ГОС ВПО 2009 г.).

Методические указания на выполнение курсовой работы по дисциплине «Теплотехника» на тему «Расчет теплообменных аппаратов» разработаны преподавателем факультета коммуникаций и автомобильного транспорта РВВДКУ имени генерала армии В.Ф. Маргелова кандидатом технических наук, доцентом Сучуговым Б.Н., преподавателем Чернышовым В.В.

Рецензент: профессор кафедры двигателей и электрооборудования РВВДКУ имени генерала армии В.Ф. Маргелова доктор технических наук профессор Шапран В.Н.

С О Д Е Р Ж А Н И Е

с.

Введение………………………………………………………………….. 4

1. Общие сведения……………………………………………………….. 6

2. Методика теплового расчета теплообменного аппарата…………… 10

3. Методические указания на выполнение курсовой работы…………. 13

4. Задание на курсовую работу (исходные данные)………………….... 16

5. Последовательность выполнения курсовой работы….…………...… 18

5.1. Условия и последовательность выполнения курсовой работы

по дисциплине «Теплотехника» на тему «Расчет теплообменного

аппарата»………………………………………………………………………….. 18

5.2. Исходные данные для расчетов……………………………………… 18

5.3. Последовательность решения задачи по расчету рекуперативного

теплообменного аппарата типа «труба в трубе»………………………….…….. 19

Список использованной литературы………………………....…………… 24

Приложения:

А. Образец титульного листа пояснительной записки.………………….. 26

Б. Коэффициент теплопроводности некоторых материалов……………. 27

В. Физические параметры воды на линии насыщения…………….……. 28

Г. Физические параметры моторного масла…...…...……………………. 29

В В Е Д Е Н И Е

 

Целью настоящей курсовой работы является закрепление знаний, полученных студентами при изучении теоретических разделов теплотехники: технической термодинамики и теплообмена, а также приобретение практических навыков выполнения расчетов основных параметров процессов, протекающих в теплообменных устройствах двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

В результате выполнения работы студент должен освоить методику расчета теплообменных устройств (аппаратов) и уметь оценивать его эффективность по коэффициенту теплопередачи.

Курсовая работа состоит из нескольких разделов, включающих введение, исходные данные для расчетов, основного раздела с тепловым расчетом теплообменного устройства (аппарата), заключения и списка использованной литературы. При необходимости (в соответствии с заданием), в основном разделе дополнительно может выполняться гидродинамический расчет теплообменного устройства (аппарата).

Пояснительная записка, таблицы, схемы и рисунки должны быть выполнены в рукописном виде или машинописном виде на листах формата А4 в соответствии с требованиями ГОСТ 2.105-95 «Общие требования к текстовым документам». Оформление работы должно осуществляться также в соответствии с требованиями действующих СТО на дипломное и курсовое проектирование.

Обращаем внимание, что оформление данных методических указаний выполнено в соответствии с редакционно-издательскими требованиями, установленными другими нормативными документами. В связи с этим они не могут служить примером для оформления пояснительной записки.

Для обеспечения требуемой для практики точности в расчетах необходимо придерживаться рекомендаций, указанных в таблице 1.

Исходные данные для расчетов представлены в таблице 2.

Таблица 1

Рекомендуемые точности округления в расчетах

 

№№ пп.	Величина	Размерность	Число знаков после запятой	Пример
	Температура	К (о С)		350,4 (77,4)
	Коэффициент полезного действия			0,75
	Прочие безразмерные коэффициенты			0,634
	Критерии Рейнольдса Re, Нуссельта Nu
	Скорость теплоносителей	м/с		1,17
	Линейные размеры теплообменника	м		2,84
	Площадь поверхности, площадь сечения теплообменника	м2		0,0416

 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Теплообменным аппаратом (теплообменником) - называют устройство, предназначенное для нагревания, охлаждения или для изменения агрегатного состояния теплоносителя.

Теплоноситель представляет собой движущуюся среду, используемую для переноса теплоты.

В качестве теплоносителей в тепловых агрегатах используют разнообразные капельные и газообразные жидкости в самом широком диапазоне давлений и температур.

Чаще всего в теплообменных аппаратах (ТОА) осуществляется передача теплоты от одного теплоносителя к другому, т.е. нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого.

Исключение составляют теплообменники с внутренними тепловыделениями, в которых теплота выделяется в самом аппарате и идет на нагрев теплоносителя.

Теплообменники с двумя теплоносителями в зависимости от способа передачи теплоты от одного теплоносителя к другому можно разделить на несколько типов:

- контактные (смесительные);

- поверхностные (регенеративные, рекуперативные и с промежуточным теплоносителем).

В контактных теплообменниках перенос теплоты происходит в процессе непосредственного контакта теплоносителей, в качестве которых в этом случае чаще всего используется газ и капельная жидкость. Наиболее простыми и компактными являются смесительные теплообменники, в которых смешиваются теплоносители, не требующие дальнейшего разделения, например, при подогреве воды паром, (используется в частности для термической деаэрации - удаления растворенных газов).

Для увеличения поверхности контакта теплоносителей их тщательно перемешивают, жидкости разбрызгивают или разбавляют на мелкие струи. Примером может служить градирня - теплообменник для охлаждения воды потоком атмосферного воздуха.

Регенеративные теплообменники и теплообменники с промежуточным теплоносителем работают фактически по одному и тому же принципу, заключающемуся в том, что теплота от одного теплоносителя к другому переносится с помощью какого-то третьего вспомогательного вещества. Это вещество (промежуточный теплоноситель) нагревается в потоке горячего теплоносителя, а затем отдает аккумулированную теплоту холодному теплоносителю. Для этого необходимо либо переносить сам промежуточный теплоноситель, либо периодически переключать потоки теплоносителей в теплообменнике. Поэтому регенеративные теплообменники являются теплообменниками периодического действия. Характерным примером использования таких теплообменников является нагревание воздуха за счет теплоты продуктов сгорания.

В качестве промежуточного теплоносителя используется твердый, достаточно массивный материал - листы металла, кирпичи, различные засыпки. Регенеративные теплообменники незаменимы для высокотемпературного (t > 1000°C) подогрева газов, поскольку жаростойкость металлов ограничена, а насадка из огнеупорных кирпичей может работать при очень высоких температурах. Иногда регенеративные теплообменники выгодно использовать для охлаждения запыленных газов, которые способны быстро изнашивать или забивать трубки аппаратов.

Наиболее распространены рекуперативные теплообменники, в которых теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку. Для уменьшения термического сопротивления стенки выполняются из материала с хорошей теплопроводностью: меди, латуни, стали, сплавов алюминия и др.

В зависимости от агрегатного состояния теплоносителей рекуперативные теплообменники подразделяются на газовые, газожидкостные, парожидкостные и жидкостно-жидкостные.

В основу классификации рекуперативных теплообменников может быть также положен способ компоновки теплопередающей поверхности или ее конфигурация: теплообменники типа "труба в трубе", кожухотрубчатые, с прямыми трубками, змеевиковые, пластинчатые, ребристые.

По относительному движению потоков теплоносителей теплообменники делятся на прямоточные, противоточные и с перекрестным током.

Если горячий и холодный теплоносители движутся вдоль поверхности нагрева параллельно друг другу и в одном направлении, то такая схема называется прямотоком.

В случае параллельного движения теплоносителей в противоположных направлениях схема носит название противоток, а при взаимно перпендикулярном направлении движения потоков - поперечного тока.

На рисунке 1 показаны основные схемы движения теплоносителей - прямоток, противоток и поперечный ток.

 

a) б) в)

 

Рисунок 1. Основные схемы теплообменных аппаратов в зависимости от характера движения теплоносителей:

a) прямоточный аппарат; б) противоточный аппарат; в) теплообменный аппарат поперечного тока

 

На рисунках 2 и 3 показан характер изменения температуры при прямотоке и противотоке.

 

Рисунок 2. Характер изменения температуры горячего и холодного теплоносителей при прямоточной схеме теплообменного аппарата

 

Рисунок 3.. Характер изменения температуры горячего и холодного теплоносителей при противоточной схеме теплообменного аппарата

 

От принятой схемы движения потоков зависит характер изменения температур теплоносителей, по мере их перемещения вдоль поверхности нагрева.

В случае прямотока в начальный момент температурный перепад растет, а затем он быстро уменьшается за счет охлаждения горячего и нагрева холодного теплоносителей.

Очевидно, что максимальная температура t^''₂, до которой можно нагреть холодный теплоноситель при прямотоке, равна t^'₁ - конечной температуре горячего теплоносителя.

При противотоке температура теплоносителей изменяется в одном направлении. По мере перемещения холодного теплоносителя вдоль поверхности нагрева его температура повышается. Но поскольку его направление движения противоположно потоку горячего теплоносителя, то перепад температур не только не уменьшается, но в определенных случаях даже может возрастать.

Применение противотока дает возможность повысить температуру нагрева холодного теплоносителя и приблизить ее к температуре горячего теплоносителя на входе в теплообменный аппарат.

Температурный перепад при противотоке по всей поверхности нагрева больше, чем при прямотоке. Это повышает удельные потоки теплопередачи через единицу поверхности и позволяет выполнять противоточные теплообменные аппараты более компактными, чем прямоточные.

Поэтому с теплотехнической точки зрения противотоку чаще всего отдается предпочтение.

Поперечный ток занимает промежуточное положение между рассмотренными схемами и применяется в случаях, когда противоток не удается осуществить конструктивно, например, в радиаторах систем охлаждения ДВС автомобилей.

2. МЕТОДИКА ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ТЕПЛООБМЕННОГО

АППАРАТА

 

При проектировании новых теплообменных аппаратов, в том числе для двигателей внутреннего сгорания автомобильной техники, возникает необходимость в выполнении конструкторского теплового расчета, целью которого является определение площади поверхности теплообмена, обеспечивающей передачу заданного количества теплоты от одного теплоносителя к другому.

Для выявления возможности использования имеющихся типов теплообменных аппаратов в тех или иных целях производят поверочный тепловой расчет, при котором определяют конечные температуры теплоносителей и количество переданной теплоты.

В данной курсовой работе выполняется конструктивный тепловой расчет.

Основными уравнениями при расчете теплообменных аппаратов являются уравнение теплового баланса и уравнение теплопередачи.

Уравнение теплового баланса может быть записано следующим образом:

Q₂ = m₂ (C_p2^’’ ∙ t₂^” - C_p2^’ ∙ t₂^’) = η ∙ Q₁ = η m₁ (C_p1^’ ∙ t₁^’- C_p1^” ∙ t₁^”),

где Q₁ - количество тепла, отдаваемого первым теплоносителем, Вт;

Q₂ - количество тепла, получаемого вторым теплоносителем, Вт;

m₁ – массовый расход первого (горячего) теплоносителя, кг;

m₂ – массовый расход второго (холодного) теплоносителя, кг;

C_p1^’, C_p1^” - удельные теплоемкости первого теплоносителя при постоянном давлении и соответствующих температурах, Дж/(кг ∙ К);

C_p2^’, C_p2^” - удельные теплоемкости второго теплоносителя при постоянном давлении и соответствующих температурах, Дж/(кг ∙ К);

η - коэффициент полезного действия теплообменника;

t₁^’, t₁^” – температуры первого теплоносителя на входе и на выходе, К;

t₂^’, t₂^” – температуры второго теплоносителя на входе и на выходе, К.

Уравнение теплового баланса позволяет найти один из неизвестных параметров – либо расход одного из теплоносителей, либо одну из температур. Все остальные параметры известны (заданы).

Следующее основное уравнение - уравнение теплопередачи. Оно свидетельствует о том, что количество теплоты, передающееся через стенку, разделяющую теплоносители, в процессе теплопередачи определяется произведением коэффициента теплопередачи на некоторый средний температурный напор и на площадь поверхности теплообмена.

Уравнение теплопередачи записывается следующим образом:

Q = k ∆t_ср F,

где k - коэффициент теплопередачи для определенного материала стенки и соответствующих условий протекания теплообмена, Вт/ (м² ∙ К);

∆t_ср – средний температурный напор, К;

F – площадь поверхности стенки, м².

Уравнение теплопередачи позволяет определить необходимую поверхность теплообмена при конструктивном расчете.

Разность температур теплоносителей ∆t_ср меняется в процессе течения теплоносителей вдоль поверхности теплообмена.

В этой связи возникает необходимость корректно найти средний температурный напор, чтобы при подстановке его в уравнение теплопередачи получить правильный результат.

Если принять линейный закон изменения температур теплоносителей, то средний температурный напор в теплообменном аппарате будет равен разности среднеарифметических температур и называется среднеарифметическим температурным напором

∆t_ср = .

Если учесть нелинейный характер изменения температур и большую разность напоров теплоносителей (∆t₁ >∆t₂), то в уравнение теплопередачи подставляется так называемый среднелогарифмический напор

∆t_{ср лог} = ,

где ∆t₁, ∆t₂ – перепады температур между теплоносителями на концах теплообменника, К.

В прямоточном теплообменнике ∆t₁ всегда равен разности температур теплоносителей на входе, а ∆t₂ - на выходе. В противоточном теплообменнике, когда теплоносители движутся навстречу друг другу, значения ∆t на концах теплообменника определяются уже по разности температур на входе греющего и на выходе нагреваемого теплоносителя. На каком конце теплообменника значение ∆t будет больше, показывает конкретный расчет.

Для исключения ошибок при расчете значений ∆t на концах теплообменника, целесообразно всегда рисовать график изменения температур по длине теплообменника.

Таким образом, конструктивный расчет теплообменного аппарата производят, как правило, в следующем порядке:

1) из уравнения теплового баланса определяется значение теплового потока Q;

2) задаваясь скоростями истечения горячего и холодного теплоносителей и конструктивными особенностями теплообменного аппарата (диаметры трубок, проходные сечения, материал и т.п.) рассчитывают коэффициенты теплоотдачи α_1, α₂ и коэффициент теплопередачи k;

3) определяют значение ∆t_ср;

4) находят площадь теплообменника F;

5) учитывают тепловые потери (Q_η) и рассчитывают длину l и количество n трубок теплообменника.

 

3. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ НА ВЫПОЛНЕНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

 

Курсовая работа по дисциплине «Теплотехника» представляет собой квалификационную работу, выполняемую студентами всех форм обучения в соответствии с требованиями ГОС ВПО.

Структура пояснительной записки курсовой работы по дисциплине «Теплотехника» включает в себя:

- титульный лист;

- содержание;

- введение;

- исходные данные для проведения теплового расчета теплообменного аппарата;

- основную (расчетную) часть;

- заключение;

- список использованной литературы.

В целом, курсовая работа должна быть не менее 12-15 страниц текста.

Титульный лист содержит в верхней части листа название страны, высшего учебного заведения и факультета, на котором выполняется данная работа. Затем, в средней части титульного листа помещается название дисциплины, через два интервала ниже – название курсовой работы, вариант задания, и ниже кем выполнена.

В нижней части титульного листа помещается название города, где выполнена работа (где проходит обучение студент), и год выполнения.

Пример выполнения титульного листа показан в приложении А.

В содержании раскрываются основные разделы пояснительной записки и страницы начала разделов (подразделов).

Нумерация разделов (подразделов) начинается с «Условий выполнения курсовой работы».

Каждый раздел начинается с нового листа.

Во введении обучаемый должен раскрыть, что называется теплообменным аппаратом (его назначение), характер и места применения ТОА в народном хозяйстве, в том числе в автомобильной технике и автомобильной отрасли, дать их классификацию по различным типам, раскрыть особенности теплообменных устройств различного типа, а также представить схемы теплообмена и характер изменения температуры теплоносителей в зависимости от выбранных схем, отразить другие данные исследовательского характера. Объем введения должен быть не менее 3-4 страниц текста и содержать необходимые рисунки и графики.

Вариант выбираемых обучаемым исходных данных для выполнения курсовой работы определяется следующим образом.

Номер варианта исходных данных определяется обучаемым в соответствии с его порядковым номером по журналу, причем для групп 21, 31 и др., заканчивающихся на цифру «1», в качестве основного типа теплообменного аппарата выбирается ТОА противоточного действия, для групп 22, 32 и др., заканчивающихся на цифру «2» - ТОА прямоточного действия.

Исходные данные выбираются из таблицы 2 данного Методического руководства в соответствии со своим вариантом.

В основной части пояснительной записки обучаемый подробно и последовательно представляет материалы расчетной части выполненной курсовой работы.

Пример выполнения теплового расчета теплообменного аппарата типа «труба в трубе» представлен в разделе 5 настоящих Методических указаний.

Первоначально записываются условия выполнения курсовой работы.

Далее записываются в математическом виде исходные данные для расчетов.

И, в последствии, подробно описывается последовательность расчетов в соответствии с определенным для обучаемого вариантом.

В «Заключении» обучаемый делает выводы по результатам произведенных расчетов и дает предложения по использованию того или иного типа теплообменного аппарата.

В конце пояснительной записки обучаемый представляет список использованной литературы для проведения расчетов в соответствии с требованиями ГОСТ 7.1-2003.

При проведении расчетов обучаемые должны уметь уверенно пользоваться инженерными калькуляторами для определения значений логарифмов (или логарифмическими таблицами) и справочными (табличными) данными из различных источников.

При оформлении пояснительной записки обучаемые должны приводить ссылки на используемые источники информации при выборе тех или иных значений параметров при проведении расчетов.

В настоящих Методических указаниях приведена основная литература, которая может быть использована для выполнения курсовой работы, а в Приложении – некоторые справочные данные.

 

4. ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ (ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ)

Таблица 2

№ варианта

Температура t’1,, оС

Температура t’2,, оС

Температура t’’2,, оС

Расход теплого теплоносителя m1, кг/с

Материал внутренней трубы b1

Внутренний диаметр внутренней трубы d1,, мм

Внешний диаметр внутренней трубы d2,, мм

Внутренний диаметр внешней трубы D, мм

Теплопроводность внутренней трубы λ, Вт / (м∙К)

Расход холодного теплоносителя m2, кг/с

Тип теплообменника

Горячий теплоноситель

Холодный теплоноситель

основной (для групп 21, 31, 41 и т.п.)

основной (для групп 22, 32, 42 и т.п.)

1,0

сталь

1,14

противоток

прямоток

вода

вода

77,5

1,2

сталь

1,5

противоток

прямоток

вода

вода

0,8

сталь

1,0

противоток

прямоток

масло

вода

0,9

латунь

1,1

противоток

прямоток

вода

вода

1,1

сталь

1,3

противоток

прямоток

вода

вода

1,3

сталь

1,6

противоток

прямоток

вода

вода

1,2

бронза

2,0

противоток

прямоток

масло

вода

92,5

1,4

сталь

1,5

противоток

прямоток

масло

вода

1,5

сталь

1,5

противоток

прямоток

вода

вода

1,0

сталь

1,2

противоток

прямоток

вода

вода

0,9

Al сплав

1,15

противоток

прямоток

вода

вода

0,8

сталь

1,25

противоток

прямоток

масло

вода

0,7

сталь

1,2

противоток

прямоток

вода

вода

1,1

сталь

1,4

противоток

прямоток

вода

вода

1,0

латунь

1,6

противоток

прямоток

вода

вода

1,2

медь

1,8

противоток

прямоток

масло

вода

1,1

сталь

1,2

противоток

прямоток

вода

вода

1,0

Al сплав

1,2

противоток

прямоток

вода

вода

1,5

сталь

1,8

противоток

прямоток

вода

вода

1,2

медь

1,4

противоток

прямоток

масло

вода

 

5. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

 

5.1. Условия и последовательность выполнения курсовой работы по дисциплине «Теплотехника» на тему «Расчет теплообменного аппарата»

Задание

 

В теплообменнике типа «труба в трубе» определить площадь F [ м² ] поверхности нагрева, если температура теплого теплоносителя составляет t^’₁ [ К ], ее расход равен m₁ [ кг/с ]. Теплый теплоноситель (горячая вода или масло) движется по внутренней трубе, выполненной из материала b₁ соответственно с внешним и внутренним диаметрами трубы d₂ и d₁ [ мм ]. Теплопроводность трубы составляет λ [ Вт / (м∙К) ]. Нагреваемая жидкость движется по кольцевому каналу между трубами и нагревается от температуры t^’₂ до температуры t^’’₂. Внутренний диаметр внешней трубы D [ мм ]. Расход нагреваемой жидкости (холодного теплоносителя) m₂ [ кг/с ].

Определить также поверхность теплообмена F [ м² ], если труба, по которой течёт горячий теплоноситель покрыта слоем накипи толщиной 0,5мм и с теплопроводностью λ= 0,26Вт/м.К; Построить графики изменения температур теплоносителей для этих вариантов.

 

 

Все исходные данные ( t’₁, m_1, b_1, d_1, d₂, λ, t^’₂, t^’’₂, D, m₂ , тип теплообменного аппарата) выбираются из таблицы 2 данных Методических указаний в соответствии со своим вариантом задания.

Потерями от теплообменного аппарата в окружающую среду пренебречь.

 

5.2.Пример. Исходные данные для проведения расчетов

 

Запишем исходные данные, выбранные из таблицы 2, переведя их в систему СИ.

Дано:

t’₁ = 97 ^о С = 370 К;

m₁ = 1 кг/с;

b₁ - материал трубы - сталь;

d₁ = 37 мм = 0,037 м;

d₂ = 40 мм = 0,04 м;

λ = 50 Вт / (м∙К);

t^’₂ = 17 ^о С = 290 К;

t^’’₂ = 47 ^о С = 320 К;

D = 54 мм = 0, 054 м;

m₂ = 1,14 кг/с;

Тип теплообменного аппарата – противоточный.

Горячий теплоноситель – вода;

Холодный теплоноситель – вода

____________________________________________________________

Требуется определить площадь поверхности нагрева:

F - ?Начертить график изменения температур теплоносителей.

 

5.3 Последовательность решения задачи по расчету рекуперативного теплообменного аппарата типа «труба в трубе»

 

1. Количество передаваемой теплоты от теплого теплоносителя (горячей жидкости к холодному теплоносителю) определяется из уравнения теплового баланса

Q = m₂ c_p2 ( t^’’₂ - t^’₂ ) Q = 1,14∙4190∙(47 - 17) = 140 000 Вт.

(удельную теплоемкость воды c_p2 для определенной температуры жидкости при постоянном давлении определяем по таблицам – см. [ 2 ] , приложения III – IX).

 

2. Температура теплого теплоносителя у выхода из аппарата в соответствии с уравнением теплопередачи

t^’’₁ = t^’₁ – Q / m₁ c_p1 t^’’₁ = 97 – 140 000 / 4190 = 63 ^о С.

 

Физические свойства теплого теплоносителя – воды – при средней температуре t _{ср 1} = ( t’’₁ + t’₁ )/2 = (63+95)/2 = 80 ^о С следующие (см.по таблице XI приложения [ 2 ]):

плотность ρ₁ = 972 кг/м³;

кинематическая вязкость v₁ = 0,365∙10^-6 м²/с;

теплопроводность λ₁ = 0,674 Вт / (м∙К);

коэффициент температуропроводности α₁ = 1,66∙10^-7 м²/с;

критерий Прандтля Pr₁ = 2,2.

 

Физические свойства холодного теплоносителя – нагреваемой воды – при средней температуре

t _{ср 1} = ( t’’₂ + t’₂ )/2 t _ср = (17+47)/2 = 32 ^о С следующие (см.по таблице XI приложения [ 2 ]):

плотность ρ₂ = 995 кг/м³;

кинематическая вязкость v₂ = 0,776∙10-⁶ м²/с;

теплопроводность λ₂ = 0,62 Вт / (м∙К);

коэффициент температуропроводности α₂ = 1,495∙ 10^-7 м²/с;

критерий Прандтля Pr₂ = 5,2.

 

3. Скорости движения:

- теплого теплоносителя –

w₁ = 4m₁ / ( ρ₁πd₁²) w₁ = 4∙1 / (972∙3,14∙0,037²) = 0,96 м/с;

- холодного теплоносителя –

w₂ = 4m₂ / ρ₂π( D²- d₂²) w₂ = 4∙1,14 / 995∙3,14∙(0,54² - 0,04²) = 1,03 м/с;.

 

4. Число Рейнольдса для теплого теплоносителя

Re₁ = (w₁ d₁) / v₁ Re₁ = (0,96∙0,037∙10⁶) / 0,365 = 97 300.

 

5. Определяем средний коэффициент теплоотдачи из уравнения подобия

Nu_жd = 0,021 Re _жd^0.8 Pr_ж^0.43(Pr_ж/ Pr_ст)^0.25,

 

Точнее, при l/d > 50 принимаем ∙ε_l -= 1

Nu₁ = 0,021 Re ₁^0.8 Pr_ж1^0.43(Pr_ж1/ Pr_ст1)^0.25∙ε_l.

 

6. Принимаем температуру стенки

t _ст1 = ( t₁+ t₂ )/2 t _ст1 = (80+32)/2 = 56 ^о С.

 

7. При этой температуре по таблице XI приложения [ 2 ] определяем число Прандтля Pr_ст1 = 3,2.

 

8. Тогда критерий подобия (число) Нуссельта будет равен

Nu₁ = 0,021 ∙ 97300^0.8 ∙ 2,2^0.43 ∙ (2,2/ 3,2)^0.25 ∙ 1 = 262,

а коэффициент теплоотдачи α₁ от теплого теплоносителя к стенке трубыбудет равен

α₁ = Nu₁ λ ₁ / d₁ α₁ =(262 ∙ 0,674) / 0,037 = 4770 Вт / (м² ∙ К).

 

9. Для холодного (нагреваемого) теплоносителя число Рейнольдса будет равно

Re₂ = (w₂ d_эк )/ v₂ Re₂ = (1,03∙0,014∙10⁶) / 0,776 = 18 600,

где d_эк = D – d₂ = 54 – 40 = 14 мм.

 

10. Принимаем, что t _ст2 = t _ст1, поэтому число Прандтля Pr_ст2 = 3,2.

Тогда число Нуссельта для холодного теплоносителя будет равно

Nu₂ = 0,021 Re₂^0.8 Pr_ж2^0.43(Pr_ж2/ Pr_ст2)^0.25 = 0,021 ∙ 18 600^0,8 ∙ 5,2^0,43 ∙ (5,2/3,2)^0,25 = 121.

 

11. Определяем коэффициент теплоотдачи α₂ от стенки трубы к холодному (нагреваемому) теплоносителю

α₂ = Nu₂ λ ₂/ d_эк α₂ =(121 ∙ 0,62) / 0,014 = 5360 Вт / (м² ∙ К).

 

12. Коэффициент теплопередачи для теплообменного аппарата будет равен

13. Средняя логарифмическая разность температур между теплоносителями:

^о.

 

14. Поверхностная плотность теплового потока на 1 м трубы

q₁ = k ∆t_ср q₁ = 86,3 ∙48,4 = 4170 Вт/м.

 

15. Длина трубы теплообменника

l = Q / q₁ l = 140 000 / 4170 = 33,6 м.

 

16. Площадь поверхности нагрева

F^’ = πd₁l F^’ =3,14 ∙ 0,037 ∙ 33,6 = 3,9 м².

 

17. Если применять в теплообменном аппарате движение жидкостей по прямотоку, то средняя логарифмическая разность температур между теплоносителями будет равна

^о.

18. Поверхностная плотность теплового потока на 1 м трубы

q₁ = k ∆t_ср = 86,3 ∙39,7 = 3440 Вт/м.

 

19. Длина трубы теплообменника

l = Q / q₁ = 140 000 / 3440 = 40,7 м.

 

20. Площадь поверхности нагрева

F’’ = πd₁l =3,14 ∙ 0,037 ∙ 40,7 = 4,73 м²,

 

Вывод: площадь поверхности нагрева в теплообменном аппарате с прямотоком по сравнению с противотоком увеличивается на величину

∆F = (F” - F^’) ∙ 100% / F^’= (4,73 - 3,9) ∙ 100% / 3,9 = 21%.

5.4 Определение площади поверхности нагрева трубы, покрытой слоем накипи.

Расчёт производится в той же последовательности и по тем же формулам (методике), но в пункте 11 и12 коэффициент теплоотдачи и теплопередачи определяются как для двухслойной цилиндрической стенки (см. Нащокин В.В. «Техническая термодинамика и теплопередача»

Сравнить полученный результат с предыдущим вариантом.

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Теплотехника: Учеб. для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Кемфер и [др.]; под ред. В.Н. Луканина – 5-е изд., стер. [Текст] – М.: Высш. шк., 2005. – 671 с.

2. Нащокин В.Е. Техническая термодинамика и теплопередача: Учеб. пособие для вузов – 3-е изд., испр. и доп. [Текст] – М.: Высш. шк., 1981 – 491 с.

3. Теплотехника: Учеб. пособие / М.М. Хазен, Г.А. Матвеев, М.Е. Грицевский, Ф.П. Казакевич; Под ред. Г.А. Матвеева [Текст] – М.: Высш. шк., 1981. – 491 с.

4. Гидравлика и теплотехника. Курс лекций / Ч.2. Техническая термодинамика [Текст] – Рязань: РВВАИУ, 1988. – 181 с.

5. Костерев Ф.М., Кушнырев В.Н. Теоретические основы теплотехники: Учебник [Текст] – М.: Энергия, 1978. – 360 с.

6. Ерохин В.Г., Маханько В.Г. Сборник задач по основам теплотехники и гидравлики / Учеб. пособие [Текст] – М.: Энергия, 1972. – 176 с.

7. Тепловые расчеты: Методические указания на выполнение курсовой работы / А.Ю. Коньков [Текст] – Хабаровск: ДВГУПС, 2003. – 22 с.

8. Мозжухин А.Б., Сергеева Е.А. Расчет теплообменника: Методические указания [Текст] – Тамбов: ТГТУ, 2006. – 26 с.

9. Бальян С.В. Техническая термодинамика и тепловые двигатели / Уч. пособие для студентов втузов [Текст] – Л.: «Машиностроение», 1973. – 304 с.

 

 

П Р И Л О Ж Е Н И Я

Приложение А

Образец титульного листа пояснительной записки

Российская Федерация