Расчет теплообменного аппарата типа «Труба в трубе»

Автор работы: Пользователь скрыл имя, 26 Октября 2013 в 16:41, контрольная работа

Краткое описание

Задание. Определить поверхность нагрева и число секций теплообменника типа «труба в трубе». Нагреваемая жидкость (вода) движется по внутренней стальной трубе (λс=50 ВТ/м*°С) диаметром d2/d1 и имеет температуры: на входе – t´ж2, на выходе - t´´ж2. Расход нагреваемой жидкости – М2. Тепло к нагреваемой жидкости передается от конденсирующегося в кольцевом канале между трубами водяного пара. Температура конденсации - t н. Расположение теплообменника – горизонтальное, длина одной секции – l .

Прикрепленные файлы: 1 файл

ТМО.doc

— 179.50 Кб (Скачать документ)


1.Расчет теплообменного аппарата типа «Труба в трубе»                    

Задание. Определить поверхность  нагрева и число секций теплообменника типа «труба в трубе». Нагреваемая жидкость (вода) движется по внутренней стальной трубе (λс=50 ВТ/м*°С) диаметром d2/d1 и имеет температуры: на входе – t´ж2, на выходе - t´´ж2. Расход нагреваемой жидкости – М2. Тепло к нагреваемой жидкости передается от конденсирующегося в кольцевом канале между трубами водяного пара. Температура конденсации - t н. Расположение теплообменника – горизонтальное, длина одной секции – l . 

Вариант №1. Данные.

 d2/d1 =40/32 мм

l= 1.7    м

М2 = 3200 кг/ч

t´ж2= 14 °С

t´´ж2=85 °С

t н=175 °С

Расчет. 1.1 Определение количества передаваемого тепла и расхода  пара.

По табличным данным определяем значение изменения энтальпии.

h´175=741,3 кДж/ кг

h´´175=2773,25 кДж/ кг

Также определим среднюю  удельную теплоемкость жидкости в интервале  температур от t´ж2 до t´´ж2  [ Дж/кг*°С]

tср = =(85 + 175)/2 =130 °С

Ср2= 4.264 кДж/кг*К

Расход греющего пара определяется:

М =                          (1)

где h и h` - соответственно, энтальпии греющего пара и конденсата, Дж/кг

 

М = кг/ч

Уравнение теплового баланса  имеет вид:

Q= - M1*Δh1 = M2* Δh2,                                           (2)

где Q- количество передаваемого тепла, Вт;

М1 и М2 – расходы, соответственно, греющего и нагреваемого теплоносителей, кг/с;

Δh1 и Δh2 – изменение энтальпии соответствующих теплоносителей, Дж/кг.

При отсутствии изменения  агрегатного состояния:

Δh2 =Ср2*( t´´ж2  - t´ж2),                                                     (3)

где t´ж2 и t´´ж2 – начальная и конечная температуры теплоносителя, °С

С учетом (3), уравнение (2) примет вид:

Q= - M1*Δh1 = M2* Ср2*( t´´ж2  - t´ж2)                               (4)    

Рассчитаем      Q

 Q = 3200 * 4,264 * (85-14)= 968780800=26910,6 Дж/с или Вт

1.2 Определяем поверхности  теплообмена.

Необходимая для теплового  процесса поверхность теплообмена определяется из уравнения:

 Q = k * ∆tср* F                                                              (5)

где k – коэффициент теплопередачи Вт/м2*ч;

  ∆tср – средний температурный напор, °С

 F – поверхность теплообмена, м2

Из данного уравнения получим:

F =                                                                    (6)

Характер зависимости  для расчета  ∆tср определяется направлениями возможного движения теплоносителей, в данной задаче:

∆tср=                                                          (7)

где      ∆tБ = tн - t´ж2 = 175 – 14= 161 °С

∆tM = tн - t´´ж2 = 1575 – 85= 65 °С


∆tср=   105,8   °С

Определим коэффициент  теплопередачи через плоскую  стенку:

k =                                             (8)

где δс – толщина стенки;

λс – коэффициент теплопроводности материала трубы, (50 Вт/м*°С)

Коэффициент теплоотдачи  от конденсирующегося пара к стенке α1 может быть определен по формуле:

α1 =  (9)

где Reн – приведенный критерий Рейнольдса – вычисляется по критериальной зависимости.

∆tн = tн – tc1;

tc1 – температура стенки со стороны пара – в первом приближении:

tc1 = tн - = 175 – 105,8/2 = 122,1 °С;

∆tн = 175 – 122,1 = 53 °С;

В – комплекс, значение которого берем по табл. данным, В150 = 11,6* 10-3м;

r – радиус трубы, r = 0.016 м.

Приведенный критерий Рейнольдса:

Reн = 3,5 * rc)0.25                                            (10)

Zн = ∆t * H * A – приведенная длина поверхности

А – комплекс, принимаем  по табличным данным., А150 = 175  1/м2

При расчете Reн и Zн  Н принимаем равным πr.

Zн = 53 * 3,14 * 0,0016 *1012 = 298,2

Рr175 = 1.075

Рc122 = 1.45

Reн =3.5 * 298,2.75(1.075/1.45)0.25= 271


Определяем α1 = = 8774 Вт/м2*°С

Коэффициент теплоотдачи  α2 от стенки движущейся жидкости рассчитывается по формуле:

α2= Nuж2*                                      (11)

где Nuж2 – вычисляется по критериальным зависимостям (4,6-4,9) [2] в зависимости от значения Reж2

- коэффициент теплопроводности  жидкого теплоносителя, Вт/м*°С

= 68,4*10-2  Вт/м2*°С

В критериальных зависимостях Reж2 и Рrж2 определяется при температуре

tж2= tн - ∆tср = 175 – 105,8 = 69,2 °С

а Рrж2 при температуре:

tc2 = tc1 - ∆tc = 122 - ∆tc, где перепад температуры в стенке

∆tc=

qн = α1 * (tн – tc1)

∆tc1 = °С

tc2= 122-37,2=84,8 °С

δc – толщина стенки трубы, м    δc= =0,004 м

Критерий Рейнольдса для  воды:

Reж2= , где υ=0,556*10-6 м2/с – кинематическая вязкость воды.

Reж2= 63309


Nuж2=0,021* Re0,8ж2*

2,56 

Nuж2=0.021*633090.8*2,56.43*(2,56/2.22)0.25= 228,42

α2=228,42* =488248 Вт/м2*°С

По найденным  величинам α1 и α2 рассчитаем коэффициент теплопередачи k (формула 8)


k =

Затем проверяется  принятое значение tc1. Если принятая и рассчитанная по соотношению величина отличаются более чем на 5%, задаемся новым значением tc1 и повторяем расчет.

= 175-45105*105,8/8774=118,7°С

Разница не более  5%

Поверхность теплообмена

 F = = =       0,79 м2  

Поверхность теплообмена  одной секции:

F1=π*d2*l = 3.14 * 0.04 * 1.7 = 0.21 м2

Число секций

 =3,8=4 шт      

Рис. 1 Двухтрубчатый  теплообменник:

1 - внутренние  трубы, 2 - наружные трубы, 3 - калач, 4 - патрубок.

Внутренние  трубы соединяются калачами 3, а  наружные - патрубками 4.

 

 

 

 

 

 

 

Задание №2 Расчет количества тепла и пара при испарении жидкости с открытой поверхности.

Определить  количество тепла и пара, поступающее  в воздух помещения с открытой поверхности ванны с водой. Длина  ванны – l, ширина –b. Температура воды в глубине - tж, Ванна находится в зоне действия воздушного потока, имеющего скорость w. Параметры воздуха: температура – tc, барометрическое давление - Рб .

tж= 44 °С w=0,8 м/с

tc=20 °С l=1,2 м

φ=57% b=1,4 м

Рб=100*10-3 Па


1 Определение количества  пара, поступающего в воздух.

Количество пара (испаривающейся жидкости) определяем по формуле:

J = β*(Сnо)*F (1)

где β = NuD*  -коэффициент массоотдачи, м/с;

D – коэффициент диффузии, м2/с;

 l – определяющий размер, м;

NuD- вычисляется по критериальному уравнению (4.17) [2] в зависимости от значения  Re;

Сn, Со- концентрация водяного пара, соответственно, над поверхностью жидкости и в окружающей среде, кг/м3;

F – площадь поверхности испарения, м2.

NuD=0,66*(Аr*PrD).26 = 0,66*(3*106)0,26=31,9

Концентрация  водяного пара в воздухе определяется по уравнению состояния

С= , (2)

 где ρ  – парциальное давление пара  при температуре паровоздушной  смеси, Па – определяется по  таб. 11 [2]

ρ44=9100 Па, ρ20=2338 Па,

Rμ- универсальная газовая постоянная, Дж/моль*К, Rμ=8314 Дж/кг;

μ – молекулярная масса, кг/кмоль, μ=18 кг/кмоль;

Тn – абсолютная температура поверхности жидкости, К

Тn= 273+( tж-2)=273+ (44-2)=315 К

Сn= кг/м3

Со= кг/м3

В качестве определяющей берется:

tср= , где tп- температура поверхности жидкости, °С – принимается на 2 °С ниже tж.

tср= =31 °С = 304 К


Значение коэффициента диффузии Dтабл приводится в таблице 2 [2]. Для расчета D на нужную температуру Т можно воспользоваться формулой

D= Dтабл*( )1,89= 26*10-6(304/298)=26,5*10-6 м2/с

β= NuD* 31,9* =1.69*10-3 м/с

J=1.69*10-3(0,06-0,017)*1,2*1,4=0.03*10-3кг/с

2. Определение количества тепла, переносимого в воздух.

Общее количество тепла, отдаваемого поверхностью жидкости при испарении, составляет:

Q = Qc+Qк+Qп (4)

где Qc – количество тепла, переносимого в воздух вместе с паром, Вт;

Qк – количество тепла, переносимого в воздух помещения конвективным путем, Вт;

Qп – количество тепла, отдаваемого поверхностью воды излучением, Вт.

Составляющие  уравнения (4) определяют по формулам:

Qc= J*r  или Qc=J*(h2-h1) (5)

Qк = α*(tn-tc)*F (6)

Qп= εn*Co[ ]*F (7)

где α=Nu  коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/м2К;

Nu – вычисляется по уравнению (4.16) [2]в зависимости от значений Ar и Pr,

Nu=5*( Ar * Pr)0,104=5*(3*106)0,104=23,6

εn- приведенная степень черноты системы- в условиях помещения можно принять

εn=0,85÷0,9;

Со= 5,67 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/м2К

=125,8 кДж/кг

=2556,2кДж/кг

λ=60*10-2Вт/м*К – коэффициент теплопроводности жидкости


Количество тепла, переносимого в воздух вместе с паром

Qc= J(h//-h/)=0.03*(2556,2-125,8)=72,9 Вт

Количество  тепла, отдаваемое поверхностью воды излучением

Qп=0,9*5,67*[( )4-( )4]*1,2*01,4=212 Вт

Количество  тепла, переносимого в воздух конвективным путем

Qк = α*(tn-tc)*F=11,8*(42-20)*1,2*1,4=436,1 Вт

где α=Nu =23,6 =11,8 Вт/м2*К

Общее количество тепла , отдаваемое поверхностью жидкости при испарении:

Q=Qc+Qk+Qп=72,9+212+436,1=721 Вт

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Список литературы

 

  1. Кушнарев В.И., Лебедев В.И., Павленко В.А. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Стройиздат, 1986.- 464 с.
  2. Справочная таблица теплофизических свойств веществ. – Казань. Офсет. КГАСА, 2001.-26 с.

 


Информация о работе Расчет теплообменного аппарата типа «Труба в трубе»