МИНЕСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМЕНИ
Н.П. ОГАРЁВА
ИНСТИТУТ МЕХАНИКИ И ЭНЕРГЕТИКИ
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
для выполнения расчётной работы №1
по курсу «Тепломассообменное
оборудование
промышленных предприятий»
для студентов специальности:
101600 «Энергообеспечение предприятий»
Саранск 2000
Составитель
А.П. Левцев
Печатается по решению научно –
методического совета
Института Механики и энергетики
Методические указания позволяют
закрепить знания и преобрести
практические навыки по расчёту кожухо
– трубных теплообменников.
Предназначены для студентов
специальности
101600 “Энергообеспечение пердприятий”
Задание
на расчетную работу №1 по курсу
«Тепломассообменное
оборудование промышленных предприятий
»
Рассчитать горизонтальный кожухотрубный
теплообменник для нагрева среды
(вода или воздух) от начальной
температуры t2/
до конечной температуры t2//.
Греющий водяной насыщенный пар имеет
абсолютное давление p. Данные
для расчета приведены в таблице 1.
Таблица 1
Варианты заданий на расчётную работу
№1
№
п/п
|
Нагреваемая среда
|
p,
МПа
|
Характер течения
|
|
вода
|
воздух
|
t2/
|
t2//
|
G2,т/ч
|
t2/
|
t2//
|
G2,м3/ч
|
1
|
8
|
90
|
20
|
2
|
95
|
1000
|
0,2
|
ламинарный
|
2
|
10
|
85
|
18
|
8
|
115
|
2000
|
0,3
|
турбулентный
|
3
|
15
|
100
|
16
|
15
|
95
|
3000
|
0,4
|
ламинарный
|
4
|
18
|
105
|
8
|
17
|
100
|
2000
|
0,4
|
турбулентный
|
5
|
20
|
110
|
10
|
20
|
105
|
5000
|
0,5
|
ламинарный
|
6
|
25
|
115
|
12
|
22
|
110
|
6000
|
0,5
|
турбулентный
|
7
|
30
|
120
|
14
|
25
|
115
|
4000
|
0,6
|
ламинарный
|
8
|
28
|
95
|
16
|
27
|
120
|
3000
|
0,7
|
турбулентный
|
9
|
22
|
90
|
18
|
30
|
115
|
1500
|
0,3
|
ламинарный
|
10
|
21
|
105
|
20
|
35
|
125
|
2500
|
0,8
|
турбулентный
|
11
|
16
|
110
|
18
|
32
|
110
|
3000
|
0,4
|
ламинарный
|
12
|
12
|
115
|
15
|
27
|
115
|
3500
|
0,9
|
турбулентный
|
13
|
7
|
120
|
10
|
24
|
95
|
4000
|
1,6
|
ламинарный
|
14
|
5
|
125
|
7
|
21
|
80
|
3500
|
1.0
|
турбулентный
|
15
|
4
|
75
|
17
|
18
|
85
|
2000
|
0,6
|
ламинарный
|
16
|
6
|
80
|
19
|
14
|
90
|
6000
|
0,6
|
турбулентный
|
17
|
11
|
85
|
22
|
11
|
70
|
5500
|
0,6
|
ламинарный
|
18
|
13
|
90
|
24
|
8
|
75
|
4000
|
0,6
|
турбулентный
|
19
|
17
|
95
|
27
|
5
|
80
|
4500
|
0,6
|
ламинарный
|
20
|
19
|
100
|
23
|
23
|
85
|
5000
|
0,3
|
турбулентный
|
21
|
22
|
105
|
16
|
26
|
110
|
2500
|
0,5
|
ламинарный
|
22
|
24
|
110
|
13
|
30
|
115
|
3000
|
0,7
|
турбулентный
|
23
|
27
|
115
|
11
|
16
|
120
|
3500
|
0,7
|
ламинарный
|
24
|
31
|
120
|
9
|
14
|
115
|
4000
|
0,9
|
турбулентный
|
25
|
29
|
100
|
12
|
11
|
110
|
4500
|
0,9
|
ламинарный
|
26
|
26
|
115
|
14
|
13
|
105
|
7000
|
1,1
|
турбулентный
|
27
|
23
|
95
|
15
|
8
|
100
|
6500
|
0,3
|
ламинарный
|
28
|
15
|
90
|
21
|
33
|
95
|
5000
|
0,4
|
турбулентный
|
29
|
10
|
105
|
24
|
16
|
90
|
4500
|
1,0
|
ламинарный
|
30
|
5
|
75
|
13
|
9
|
80
|
4000
|
0,2
|
турбулентный
|
Методика расчета
1.1.По абсолютному давлению насыщенного
пара (прил. 1),
определяется температура конденсации
tн.
1.2.Составляется температурная схема
tн
tн,
t2/
t//2.
tб
tм
1.3.По разности температур труб и кожуха
определяется тип аппарата.
1.4.Средняя разность температур :
.
1.5.Средняя температура нагреваемой
среды, С
t2=tн
- tср.
1.6.Расход теплоты на нагрев среды, кВт
где c2-
средняя удельная теплоемкость нагреваемой
среды, кДж/кг К
вода (прил. 2), воздух
(прил. 3);
G2-массовый
расход, кг/с.
1.7.Расход сухого греющего пара с учетом
5% потерь теплоты
где r- удельная теплота
конденсации водяного пара, Дж/кг
(прил. 1).
1.8.Ориентировочная максимальная площадь
поверхности теплообмена, м2
где Kmin-
минимальное значение коэффициента
теплопередачи (прил.4).
2.Основная часть
2.1.Составляется схема
теплопередачи ( рис. 1)
для обеспечения турбулентного
течения среды скорость ее должна быть
больше /2,м/с:
,
для обеспечения ламинарного течения
скорость среды в трубах должна быть
меньше /2,м/с:
,
где 2-
динамический коэффициент вязкости,
Пас
вода (прил. 2),
воздух (прил. 3).
2.2.Число труб 25х2мм, обеспечивающих
объемный расход среды при стандартном
Re
По (прил. 5) выбирается
теплообменник и записываются все его
паспортные данные (число ходов, внутренний
диаметр кожуха, число труб на один ход
трубного пространства, общее число
труб n).
Коэффициент теплопередачи для
нагреваемой среды
2.3.1.Уточняется значение критерия Re2:
-для
турбулентного режима;
-
для ламинарного режима.
2.3.2.Для турбулентного режима определяется
критерий Прандтля при температуре
нагреваемой среды t2:
где 2-коэффициент
теплопроводности среды, Вт/(мК)
(прил. 3, прил.
2).
Расчетная формула для критерия Нуссельта
отношение (Pr2/Prст2)0,25
вначале принимают равным 1,05 (с последующей
проверкой ).
Таким образом коэффициент теплоотдачи
2,
Вт/(м2 К)
Для ламинарного течения находится
ориентировочное значение произведения
критериев (Gr2Pr2).
Вначале ориентровочно задаются
разностью температур t2(с
последующим уточнением)
t2=0,75tср,
определяющая температура для определения
критериев
t=t2
- t2/2,
температура стенки
tст.2=t2
+ t2.
Ориентировочное значение (GrPr)
при определяющей температуре:
Здесь 2-коэффициент
объемного расширения жидкости,
К-1 (прил. 2), для
воздуха 2=1.
При (Gr2Pr2)
8105
и Re2
3500
применима формула :
где
L - принимается заранее
в п.2.2.
При (Gr2Pr2)
8105
и Re22300
применима формула :
Коэффициент l
вводится, если пред обогреваемым
участком трубы нет участка гидродинамической
стабилизации. Определяющая температура
t=0,5(tст+tж.ср),
где tж.ср=0,5(tж.нач+
tж.кон).
2.4.Коэффициент теплоотдачи при конденсации
водяного пара на пучке горизонтальных
труб.
Для приближенного расчета, задавшись
L (без учета влияния
поперечных перегородок) по формуле:
где -
коэффициент, зависит от расположения
труб в пучке (рис. 2);
r-
коэффициент, зависящий от содержания
воздуха в паре (рис. 3);
Вt- по
(прил.6).
2.5.Величина обратная
термическому сопротивлению загрязнений
с обеих сторон стенки
где 1/rзаг.1 и
1/rзаг.2-загрязнения
со стороны греющей и нагреваемой среды
(прил. 7) ; ст=46,5
Вт/(м К)-коэффициент
теплопроводности стали.
2.6.Коэффициент теплопередачи:
2.7.Удельная тепловая
нагрузка:
2.8.Проверяется принятое
значение (Pr2/Prст2)0,25.
Определяется
Если разница не превышает 1% то расчет
закончен.
2.9.Расчетная площадь
теплообмена
2.10.Запас площади теплообмена
теплообменника с принятой L
должен быть не менее 10%.
F=d2
nL-площадь стандартного теплообменника.
2.11.Окончательно принимается
теплообменник с уточненными параметрами
(прил. 5).
Приложение 1 Свойства насыщенного водяного пара в зависимости от давления
Пересчёт в СИ:
Давление
(абсолютное),
|
Температура,
оС
|
Удельный объём,
|
Плотность,
|
Удельная энтальпия
жидкости
,
|
Удельная энтальпия
пара
,
|
Удельная теплота
парообразования
,
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
0,01
0,015
0,02
0,025
0,03
0,04
0,05
0,06
0,08
0,10
0,12
0,15
0,20
0,30
0,40
0,50
0,60
0,70
0,80
0,90
1,0
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
|
6,6
12,7
17,1
20,7
23,7
28,6
32,5
35,8
41,1
45,4
49,0
53,6
59,7
68,7
75,4
80,9
85,5
89,3
93,0
96,2
99,1
104,2
108,7
112,7
116,3
119,6
132,9
142,9
151,1
158,1
164,2
169,6
174,5
179,0
183,2
187,1
190,7
194,1
197,4
200,4
203,4
206,2
208,8
211,4
|
131,60
89,64
68,27
55,28
46,53
35,46
28,73
24,19
18,45
14,96
12,60
10,22
7,977
5,331
4,072
3,304
2,785
2,411
2,128
1,906
1,727
1,457
1,261
1,113
0,997
0,903
0,6180
0,4718
0,3825
0,3222
0,2785
0,2454
0,2195
0,1985
0,1813
0,1668
0,1545
0,1438
0,1346
0,1264
0,1192
0,1128
0,1070
0,1017
|
0,00760
0,01116
0,01465
0,01809
0,02149
0,02820
0,03481
0,04133
0,05420
0,06686
0,07937
0,09789
0,1283
0,1876
0,2456
0,3027
0,3590
0,4147
0,4699
0,5246
0,5790
0,6865
0,7931
0,898
1,003
1,107
1,618
2,120
2,614
3,104
3,591
4,075
4,536
5,037
5,516
5,996
6,474
6,952
7,431
7,909
8,389
8,868
9,349
9,83
|
27,7
53,2
71,6
86,7
99,3
119,8
136,2
150,0
172,2
190,2
205,3
224,6
250,1
287,9
315,9
339,0
358,2
375,0
389,7
403,1
415,2
437,0
456,3
473,1
483,6
502,4
558,9
601,1
637,7
667,9
694,3
718,4
740,0
759,6
778,1
795,3
811,2
826,7
840,9
854,8
867,7
880,3
892,5
904,2
|
2506
2518
2526
2533
2539
2548
2556
2562
2573
2581
2588
2596
2607
2620
2632
2642
2650
2657
2663
2668
2677
2686
2693
2703
2709
2710
2730
2744
2754
2768
2769
2776
2780
2784
2787
2790
2793
2795
2796
2798
2799
2800
2801
2802
|
2478
2465
2455
2447
2440
2429
2420
2413
2400
2390
2382
2372
2358
2336
2320
2307
2296
2286
2278
2270
2264
2249
2237
2227
2217
2208
2171
2141
2117
2095
2075
2057
2040
2024
2009
1995
1984
1968
1956
1943
1931
1920
1909
1898
|
Продолжение. Прил. 1.
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
30
40
50
60
70
80
90
100
120
140
160
180
200
225
|
232,8
249,2
262,7
274,3
284,5
293,6
301,9
309,5
323,1
335,0
345,7
355,4
364,2
374,0
|
0,06802
0,05069
0,04007
0,03289
0,02769
0,02374
0,02064
0,01815
0,01437
0,01164
0,00956
0,00782
0,00614
0,00310
|
14,70
19,73
24,96
30,41
36,12
42,13
48,45
55,11
69,60
85,91
104,6
128,0
162,9
322,6
|
1002
1079
1143
1199
1249
1294
1337
1377
1455
1531
1606
1684
1783
2100
|
2801
2793
2780
2763
2746
2726
2705
2684
2638
2592
2540
2483
2400
2100
|
1800
1715
1637
1565
1497
1432
1369
1306
1183
1061
934
789
617
0
|
Приложение 2
Физические свойства воды в состоянии
насыщения
t,оС
|
кг/м3
|
Ср,
кДж/(
кг К)
|
,
Вт/(м К)
|
,
м2/с
|
К-1
|
H/м
|
Рr
|
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
|
999,9
999,7
998,2
995,7
922,2
988,1
983,2
977,8
971,8
965,3
958,4
951,0
943,1
934,8
926,1
917,0
907,4
897,3
886,9
876,0
863,0
852,8
840,3
827,3
813,6
799,0
784,0
767,9
750,7
732,3
712,5
691,1
667,1
640,2
610,1
574,4
528,0
450,5
|
4,212
4,191
4,183
4,174
4,174
4,174
4,179
4,187
4,195
4,208
4,220
4,233
4,250
4,266
4,287
4,313
4,346
4,380
4,417
4,459
4,505
4,555
4,614
4,681
4,756
4,844
4,949
5,070
5,230
5,485
5,736
6,071
6,574
7,244
8,165
9,504
13,984
40,321
|
55,1
57,4
59,9
61,8
63,5
64,8
65,9
66,8
67,4
68,0
68,3
68,5
68,6
68,6
68,5
68,4
68,3
67,9
67,4
67,0
66,3
65,5
64,5
63,7
62,8
61,8
60,5
59,0
57,4
55,8
54,0
52,3
50,6
48,4
45,7
43,0
39,5
33,7
|
1,789
1,306
1,006
0,805
0,659
0,556
0,478
0,415
0,365
0,326
0,295
0,272
0,252
0,233
0,217
0,203
0,191
0,181
0,173
0,165
0,158
0,153
0,149
0,145
0,141
0,137
0,135
0,133
0,131
0,129
0,128
0,128
0,128
0,127
0,127
0,126
0,126
0,126
|
-0,63
0,70
1,82
3,21
3,87
4,49
5,11
5,70
6,32
6,95
7,52
8,08
8,64
9,19
9,72
10,3
10,7
11,3
11,9
12,6
13,3
14,1
14,8
15,9
16,8
18,1
19,7
21,6
23,7
26,2
29,2
32,9
38,2
43,3
53,4
66,8
109
264
|
756,4
741,6
726,9
712,2
696,5
676,9
662,2
643,5
625,9
607,2
588,6
569,0
548,4
528,8
507,2
486,6
466,0
443,4
422,8
400,2
376,7
354,1
333,6
310,0
285,5
261,9
237,4
214,8
191,3
168,7
144,2
120,7
98,10
76,71
56,70
38,16
20,21
4,71
|
13,67
9,52
7,02
5,42
4,31
3,54
2,98
2,55
2,21
1,95
1,75
1,60
1,47
1,36
1,26
1,17
1,10
1,05
1,00
0,96
0,93
0,91
0,89
0,88
0,87
0,86
0,87
0,88
0,90
0,93
0,97
1,03
1,11
1,22
1,39
1,60
2,35
6,79
|
Приложение 3
Физические свойства сухого воздуха
(р=0,101 МПа)
t,оС
|
кг/м3
|
Ср,
кДж/(
кг К)
|
,
Вт/(м К)
|
,
Па с
|
,
м2/с
|
Рr
|
-20
-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
120
140
160
180
200
250
300
350
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
|
1,395
1,342
1,293
1,247
1,205
1,165
1,128
1,093
1,060
1,029
1,000
0,972
0,946
0,898
0,854
0,815
0,779
0,746
0,674
0,615
0,566
0,524
0,456
0,404
0,362
0,329
0,301
0,277
0,257
0,239
|
1,009
1,009
1,005
1,005
1,005
1,005
1,005
1,005
1,005
1,009
1,009
1,009
1,009
1,009
1,013
1,017
1,022
1,026
1,038
1,047
1,059
1,068
1,093
1,114
1,135
1,156
1,172
1,185
1,197
1,210
|
2,28
2,36
2,44
2,51
2,59
2,67
2,76
2,83
2,90
2,96
3,05
3,13
3,21
3,34
3,49
3,64
3,78
3,93
4,27
4,60
4,91
5,21
5,74
6,22
6,71
7,18
7,63
8,07
8,50
9,15
|
16,2
16,7
17,2
17,6
18,1
18,6
19,1
19,6
20,1
20,6
21,1
21,5
21,9
22,8
23,7
24,5
25,3
26,0
27,4
29,7
31,4
33,6
36,2
39,1
41,8
44,3
46,7
49,0
51,2
53,5
|
12,79
12,43
13,28
14,16
15,06
16,00
16,96
17,95
18,97
20,02
21,09
22,10
23,13
25,45
27,80
30,09
32,49
34,85
40,61
48,33
55,46
63,09
79,38
96,89
115,4
134,8
155,1
177,1
199,3
233,7
|
0,716
0,712
0,707
0,705
0,703
0,701
0,699
0,698
0,696
0,694
0,692
0,690
0,688
0,686
0,684
0,682
0,681
0,680
0,677
0,674
0,676
0,678
0,687
0,699
0,706
0,713
0,717
0,719
0,722
0,724
|
Воздух
М=2895 кг/кмоль; R=287 Дж/(кг
К); tпв= – 213 0С;
tкип.= –192
195
0С;
rисп.= 197
3
кДж/кг;
при –194 0С;
кг/м3; tkp=
–140,65
140,75
0С; pkp=37,4….37,5
бар.
Процентный состав (над уровнем моря) сухого атмосферного воздуха
Процентный состав воздуха
|
N2
|
O
|
Ar
|
CO2
|
По весу
|
75,5
|
23,2
|
1,3
|
0,046
|
До 0,4
|
По объёму
|
78,08
|
20,95
|
0,93
|
0,03
|
>> 0,3
|
Приложение 4
Ориентировочные
значения коэффициентов
теплопередачи в [
]
Вид теплообмена
|
Вынужденное
движение
|
Свободное движение
|
От газа к газу
(при невысоких давлениях)
От
газа к жидкости (газовые холодильники)
От
конденсирующегося пара к газу
(воздухоподогреватели)
От
жидкости к жидкости (вода)
От
жидкости к жидкости (углеводороды,
масла)
От
конденсирующегося пара к воде
(конденсаторы, подогреватели)
От
конденсирующегося пара к органическим
жидкостям (подогреватели)
От
конденсирующегося пара органических
веществ к воде (конденсаторы)
От
конденсирующегося пара к кипящей
жидкости ( испарители)
|
10 – 40
10
– 60
10
– 60
800
– 1700
120
– 270
800
– 3500
120
– 340
300
– 800
–
|
4 – 12
6
– 20
6
– 12
140
– 340
30
– 60
300
– 1200
60
– 170
230
– 460
300
– 2500
|
*
Наружный
диаметр кожуха.
|
600
800
1000
1200
|
Ш Е С Т И Х О Д О
В Ы Е
|
600
800
1000
1200
|
Ч Е Т Ы Р Ё Х Х О
Д О В Ы Е
|
325*
400
600
800
1000
1200
|
Д В У Х Х О Д О В
Ы Е
|
159*
273*
325*
400
600
800
1000
1200
|
О Д Н О Х О Д О В
Ы Е
|
Диаметр кожуха
Внутренний
D,
мм
|
Приложение 5
Основные
характеристики теплообменников ТН
и ТК и холодильников ХН и ХК с трубами
25
2
мм
(ГОСТ
15118 – 79, ГОСТ 15120 – 79, ГОСТ 15118 – 79)
np
– число рядов труб по
вертикали для горизонтальных аппаратов
– по ГОСТ 15118 – 79; h
– расстояние между
перегородками
|
196
384
642
958
|
206
404
666
986
|
56
100
240
442
718
1048
|
13
37
62
111
257
465
747
1083
|
Число труб n
|
––
––
––
––
|
––
––
––
––
|
––
––
––
––
––
––
|
1,0
3,0
––
––
––
––
––
––
|
Поверхность
теплообмена F,
м2
|
1,0
|
Длина
труб l,
м
|
––
––
––
––
|
––
––
––
––
|
6,5
––
––
––
––
––
|
1,5
4,5
7,5
––
––
––
––
––
|
1,5
|
31
60
––
––
|
32
63
––
––
|
9,0
16,0
38
69
––
––
|
2,0
6,0
10,0
17
40
73
––
––
|
2,0
|
46
90
151
––
|
49
95
157
––
|
13,0
24,0
57
104
169
––
|
3,0
9,0
14,5
26
61
109
176
––
|
3,0
|
61
121
202
301
|
65
127
209
310
|
17,5
31,0
75
139
226
329
|
––
––
19,5
35
81
146
235
340
|
4,0
|
91
181
302
451
|
97
190
314
464
|
––
47
113
208
338
494
|
––
––
––
52
121
219
352
510
|
6,0
|
––
271
454
677
|
––
285
471
697
|
––
––
––
312
507
740
|
––
––
––
––
––
329
528
765
|
9,0
|
1,1
2,2
3,6
5,2
|
1,8
3,0
5,5
8,4
|
1,0
1,7
4,2
7,7
12,4
17,9
|
0,5
1,3
2,1
3,8
8,9
16,1
25,9
37,5
|
ST
102
|
Проходное
сечение, м2
|
4,5
7,0
13,0
16,5
|
4,5
7,0
13,0
16,5
|
1,5
2,5
4,5
7,0
13,0
16,5
|
0,8
1,1
2,9
3,1
5,3
7,9
14,3
17,9
|
SМ
102
|
3,7
7,0
10,2
14,2
|
4,0
6,5
10,6
16,4
|
1,3
2,0
4,0
6,5
10,6
16,4
|
0,4
0,9
1,3
2,0
4,0
6,9
10,6
16,4
|
SВ.
П
102
|
14
20
26
32
|
14
20
26
32
|
8
10
16
22
28
34
|
5
7
9
11
17
23
29
35
|
np
|
300
350
520
550
|
300
350
520
550
|
180
250
300
350
520
550
|
100
130
180
250
300
350
520
550
|
h
, мм
|
Приложение 6 Значение коэффициентов в зависимости от температуры
Температура конденсации водяного
пара
|
100
|
110
|
120
|
140
|
160
|
180
|
|
6960
1010
|
7100
1040
|
7240
1070
|
7420
1120
|
7490
1150
|
7520
1170
|
Приложение 7 Среднее значение тепловой проводимости загрязнений стенок
Теплоносители
|
Тепловая проводимость загрязнений
стенок
|
Вода загрязнённая
»
среднего качества
»
хорошего качества
»
очищенная
»
дистиллированная
Водяной
пар (с содержанием масла)
Воздух
|
1400 – 1860*
1860 – 2900*
2900 – 5800*
2900 – 5800*
5800
2800
|
* Для воды меньшие значения тепловой
проводимости загрязнений
соответствуют более высоким температурам.
Приложение содержание
Задание на расчётную работу……………………………………………………..3
Методика расчёта…………………………………………………………………..4
Приложения…………………………………………………………………..…….9
Учебное издание
Левцев Алексей Павлович
Методические указания
для выполнения расчётной работы №1
по курсу «Тепломассообменное
оборудование
промышленных предприятий»
для студентов специальности:
101600 «Энергообеспечение предприятий»
Компьютерная вёрстка: Келейников
С.А.
Jk
Jk
Jk
Jk
Jk
Jk
Sd
sds
3
4
