Конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменного аппарата

Провести конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменника, в котором воздухом при температуре t_в охлаждается вода проходящая по трубкам от t^I₂ до t^II₂ . Объемный расход воды V₂ .

Материал трубок – латунь (λ = 106 Вт/(м К) диаметром (d_вн/ d_н).

Коэффициент использования поверхности теплообмена η_F – принять равным 0,8. Коэффициент оребрения – К.

Таблица 5 Исходные данные

Номер варианта по цифре зач. кн	tв , 0С	tI2 , 0С	tII2 , 0С	dвн/ dн , мм	V2 , л/с	К
0	10	97	65	16/18	1	8
1	12	95	66	15/17	2,5	7
2	20	94	67	12/14	3,5	5
3	25	93	68	16/18	4,5	10
4	30	91	69	19/21	5,5	9
5	40	96	68	16/18	6,5	11
6	22	97	67	15/17	7,5	6
7	15	95	66	12/14	8,5	8
8	17	94	65	16/18	9,5	9
9	18	93	66	19/21	8,2	7
10	19	91	67	16/18	7,2	6
11	33	96	68	15/17	6,2	9
12	24	97	69	12/14	5,2	10
13	21	95	68	10/12	4,2	7
14	12	94	67	11/13	3,2	9
15	18	93	66	15/17	2,2	6
16	24	91	65	12/14	1,2	7
17	20	96	66	10/12	3,3	11
18	15	92	67	11/13	4,3	8

Значения d_вн/ d_н , V₂ , - принять по последней цифре зачетной книжки;

К - по предпоследней цифре зачетной книжки; t_{в ,} t^I_{2 ,} t^II₂ – по сумме двух последних цифр.

По результатам расчета производится компоновка теплообменника на листе миллиметровой бумаги и обязательно согласовывается с преподавателем. Сконструированный теплообменный аппарат выносится на «лист» курсовой работы с необходимыми разрезами.

В конце пояснительной записки приводится список используемой литературы.

Пример расчета

Конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменного

аппарата.

Теплообменный аппарат (теплообменник) — это устройство, предназначенное для нагревания, охлаждения или для изменения агрегатного состояния теплоносителя. Чаще всего в теплообменных аппаратах осуществляется передача теплоты от одного теплоносителя к другому, т. е. нагревание одного теплоносителя происходит за счет охлаждения другого.

Теплообменники с двумя теплоносителями в зависимости от способа передачи теплоты от одного теплоносителя к другому можно разделить на несколько типов: смесительные, рекуперативные, регенеративные и с промежуточным теплоносителем.

В рекуперативных теплообменниках теплота от одного теплоносителя к другому передается через разделяющую их стенку. Для уменьшения термического сопротивления стенка выполняется из материала с хорошей теплопроводностью: меди, стали, латуни, сплавов алюминия и т. д.

Провести конструктивный тепловой расчет рекуперативного теплообменника, в котором воздухом при температуре t_в = 22°C

охлаждается вода проходящая по трубкам от t¢₂ ⁼ 97 °C до t ₂^{¢¢ =} 67°C .

Объемный расход воды V₂ = 5,5 л/с .

Материал трубок - латунь (l = 106 Вт/(м К)

диаметром : d_ВH = 19 мм d_H = 21 мм

Коэффициент использования поверхности теплообмена

h_F - принять равным 0,8.

Коэффициент оребрения - К = 5.

Скорость течения воды в трубах теплообменников обычно принимается равной v₂ = 1 ^М/_С

Определим среднюю температуру воды.

Δt₂ = = = 82°C

Теплофизические свойства воды будем брать из справочника при средней температуре воды Dt₂ =82°С, а воздуха при температуре t_B =22°С.

Теплофизические свойства воды :

Pr = 2,16; λ = 0,00676 Вт/м∙К; ν = 3,60 Е−07,м²/с

c_p (97)= 4,210 ; c_p (67)=4,189 ; ρ = 970,5

Теплофизические свойства воздуха

Pr = 0,703; λ = 0,02594 Вт/м∙К; ν = 1,60 Е−05,м²/с

Рассчитаем тепловой поток, который выделится при охлаждении воды:

Q = V₂×ρ ∙( с'_р∙ t'₂− с"_р∙ t'¢₂)

где V₂×ρ- массовый расход теплоносителя;

с'_р - теплоемкость ри t'₂;

с"_р - теплоемкость при t^¢¢₂;

t'₂ и t'¢₂ - температура воды начальная и конечная

соответственно;

Q = 5,5 ∙10^-3∙970,5∙(4,21∙97 − 4,189∙ 67) = 692,4

Q = 692,4 кВт;

Т.к = 1,7 меньше 2 средний перепад температур, считается по разности средних температур воды и воздуха:

Δt = Δt₂ − Δt₁ = 82 − 22 = 60°C

Рассчитаем суммарное сечение труб для прохода воды.

S_ТР = = 0,0055 м² ;

Рассчитаем площадь внутреннего сечения одной трубы.

S^’_ТР = = 0,0003 м²;

Рассчитаем число параллельно включенных трубок.

n = = 18,3

Число параллельных трубок округляем в большую сторну

n = 19

Рассчитаем уточнённое значение скорости течения воды в трубках.

= 1,000 м²/с:

Для расчёта коэффициентов теплоотдачи, температуру стенки примем равной средней между температурами теплоносителей.

t_c1 = t_c2 = = 52 °C ;

Определим число Рейнольдса для воды, движущейся по трубам.

Re = = 53912> 10⁴ − Режим движения — турбулентный.

Рассчитаем коэффициент теплоотдачи

Для его вычисления воспользуемся определением числа Нуссельта:

Nu₂ = ; откуда ;

Для определения числа Нуссельта используем следующую формулу:

Nu₂ = 0,021∙Re^0,8∙Pr^0,43_ж∙ ( )^0,25 = = 157,7

α₂ = = 56,10 Вт/м²∙К

Скорость движения воздуха, обтекающего трубы с водой принимаем равной 20 м/с, за определяющий размер принимаем X = 0,6 м.

Найдём число Рейнольдса для пары воздуха- теплообменник.

Re = = 75000> 10⁴ − Режим движения — турбулентный

Так как воздух омывает не одну, а пучок труб, необходимо выбрать тип расположения труб в теплообменнике: шахматный или коридорный. От расположения труб в значительной степени зависят характер движения жидкости, омывание труб каждого ряда и в целом теплообмен в пучке. При коридорном расположении трубы любого ряда затеняются соответственными трубами предыдущего ряда, что ухудшает омывание в лобовой части, и большая часть трубы находится в слабой вихревой зоне. При шахматном расположении труб этого не происходит, поэтому наиболее целесообразно здесь использовать шахматное расположение труб.

Рассчитаем число Нуссельта для шахматного расположения

Nu_в = с∙Reⁿ∙ ∙ ( )^0,25 ∙ξ_φ∙ξ_s = 1222,7 .

где c = 0,41; n = 0,6 ; ξ_φ = 1; ξ_s = 1 .

Определим коэффициент теплоотдачи.

= 1510,3 Вт/м²∙К

Определяем коэффициент теплопередачи теплообменника.

= 23634 Вт/м²∙К

Определяем площадь теплообменника.

F = = 0,5 м² ;

Определяем реальную площадь теплообменника по коэффициенту использования поверхности.

F^´= = 0,610 м²;

Определяем длину трубки.

l = = 0,51 м ;

Компоновка.

Расстояние между трубками в ряду должно находиться в пределах 2 -4 d_H. Расстояние между рядами рекомендуется выдерживать порядка 2 - 3 d_H. Длина и высота теплообменного аппарата не должна превышать 0,6 м.

Компонуем теплообменник.

1. Производим перерасчет площади теплообменного аппарата без учета коэффициента оребрения, с целью определения его реальной площади.

F_p = F´∙k = 0,61 ∙5 = 3,05 м² ;

2. Определяем площадь, приходящуюся на оребрение.

F_op = F_p − F^´ = 3,05 − 0,610= 2,44 м² ;

3. Согласно компоновке определяем площадь одной пластины.

F_ПЛ = a ∙ b= 0,01 ∙ 0,44 = 0,044 м²

4. Находим число пластин.

n = = 100

n = 100 ;

Толщина пластины принимается равной 0,5 мм

Устанавливаем два ряда по 7 трубок и один ряд 5 трубок.

Расстояние между трубками в рядах 50 мм, расстояние между рядами 50 мм,

Ширина фланца (расстояние от центра крайних трубок до края пластинны)

30 мм, внутренние диаметры входного и выходного фланцев по 37 мм.

Размер пластины 360 * 160 мм.