Автор работы: Пользователь скрыл имя, 26 Октября 2013 в 16:41, контрольная работа
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 .
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,
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),
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)
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
где k – коэффициент теплопередачи Вт/м2*ч;
∆tср – средний температурный напор, °С
F – поверхность теплообмена, м2
Из данного уравнения получим:
F =
Характер зависимости для расчета ∆tср определяется направлениями возможного движения теплоносителей, в данной задаче:
∆tср=
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 =
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 *
(Рrн/Рrc)0.25
Zн = ∆t * H * A – приведенная длина поверхности
А – комплекс, принимаем по табличным данным., А150 = 175 1/м2*с
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*
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*(
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*(Сn-Со)*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,
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)=
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*
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
Информация о работе Расчет теплообменного аппарата типа «Труба в трубе»