МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ» (МГРИ) ФАКУЛЬТЕТ ТЕХНОЛОГИИ РАЗВЕДКИ И РАЗРАБОТКИ Кафедра механизации, автоматизации и энергетики горных и геологоразведочных работ КУРСОВАЯ РАБОТА По дисциплине: Теплотехника На тему: Расчет рекуперативного теплообменника Вариант 8 Выполнил: студент группы ГИ-19 (шифр группы) (Ф.И.О.) ____________________________________ (подпись, дата) Руководитель: Ст. преподователь (должность) (Ф.И.О.) ____________________________________ (оценка) ____________________________________ (подпись, дата) Москва 2023 ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ по дисциплине: Теплотехника на тему: Расчёт рекуперативного теплообменника ВЫДАНО студенту Нурову Магомедмансуру Магомедовичу Краткое содержание работы: 1. Провести конструктивный тепловой расчет водо-водяного рекуперативного теплообменника для подогрева подпитывающей воды котельной установки. 2. Вычертить эскиз общего вида, указать на нём габаритные размеры теплообменника, нанести параметры теплоносителей и схему их движения. 3. Составить техническую характеристику теплообменного аппарата с указанием его конструктивных и технических параметров (тепловой нагрузки, температур и расходов теплоносителей, площади, длины, диаметра труб и их числа). Исходные данные: 1.Температура первичного теплоносителя на входе в теплообменник Т1=95°С; 2.Температура вторичного теплоносителя на входе в теплообменник t1= 5°C; 3.Температура вторичного теплоносителя на выходе из теплообменника t2=50°С; 4.. Тепловая нагрузка теплообменника, Q = 100 кBт Рекомендуемая литература: 1. М.В. Меркулов, В.А. Косьянов, А.Ю. Башкуров, С.В. Головин Теплотехника и техническая термодинамика: учебное пособие. – Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166с. Руководитель: д. т. н. Профессор ________ Меркулов Михаил Васильевич (ученая степень) (должность) (подпись) (Ф.И.О.) Задание принял к исполнению: студент Нуров Магомедмансур Магомедович Решение 1. Примем температуру воды на выходе из теплообменника первичного теплоносителя Т2 = 90 °С и определим среднюю температуру Тср, tср и перепад температуры в теплообменнике ΔТ, Δt. Tср = 0.5(T1 + T2 ) = 0.5 ∗ (95 + 90) = 92.5°С; ∆T = T1 − T2 = 95 − 90 = 5°С; t ср = 0.5(t1 + t 2 ) = 0.5 ∗ (5 + 50) = 27.5°С; ∆t = t 2 + t1 = 50 − 5 = 45°С. 2. Зная тепловую нагрузку, определяем массовый расход из уравнений теплового баланса для первичного и вторичного теплоносителей: при cB = 4.174 Дж кг °С (при ∆T = 5°С) M1 = Q 100 кг = = 4.8 ; cB ∆T 4.174 ∗ 5 с M2 = Q 100 кг = = 0.53 . cB ∆𝑡 4.174 ∗ 45 с 3. Определим площадь сечения водяного (первичного) теплоносителя, приняв скорость движения воды по трубкам 𝝊𝟏 = 0,25 м/с: F= V1 , где V1 - объемный расход первичного теплоносителя; 𝜐1 при ρ1=965.7кг/м3 – плотность воды при 𝑇ср V1= f= 𝑉1 𝜐1 M1 ρ1 = = 4.8 965.7 0.005 0.25 = 0,005 м3/с; = 0.02 м2 . 4. Задаем диаметр стальных труб dн = 0,033 м c толщиной стенки = 0,004 м, т.е. внутренний диаметр dвн = 0,025 м и определяем число труб. 𝑛= 4∗𝑓 4 ∗ 0,02 2 = 3.14 ∗ 0.0252 = 40.76 𝜋 ∗ 𝑑𝐵𝐻 Принимаем число трубок, размещенным по концентрическим окружностям, равное 𝑛 = 37 шт. 5. Определяем диаметр теплообменника: 𝐷 = 𝐷, + 𝑑𝐻 + 2𝑘, где 𝐷, −относительный диаметр. Для определения воспользуемся 𝐷, 𝑠 =4 S−шаг трубок, 𝑆 ≥ 𝑑𝐻 + (6 ÷ 10)мм; S= 0.033 + 0.007 = 0.04 м Тогда 𝐷, = 𝑆 ∗ 6 = 0.04 ∗ 4 = 0.16 м. K− расстояние от края трубок до кожуха теплообменника, примем 𝑘 = 0.01 м; D= 𝐷, + 𝑑𝐻 + 2𝑘 = 0.16 + 0.033 + 2 ∗ 0.01 = 0.213 м. 6. Определим площадь сечение межтрубного пространства: 𝜋 3.14 4 4 ∆𝑓 = (𝐷2 − 𝑛∗ ∗ 𝑑𝐻2 ) = ∗ (0.2132 − 37 ∗ 0.0332 ) = 0.004 м2 7. Определим скорость движения воды в межтрубном пространстве: при 𝜌2 =996,374 кг/м3 – плотность воды при 𝑡ср = 27.5°С. кг 𝑀2 = 0.53 . с υ2 = 𝑀2 0.53 м = = 0.13 . 𝜌2 ∗ ∆𝑓 996.374 ∗ 0.004 с 8. Рассчитаем величину критерия Рейнольдса для первичного и вторичного теплоносителей: Первичный теплоноситель 𝑅𝑒1 = 𝜐1 ∗ 𝑑ВН 0.25 ∗ 0.025 = = 16891; 𝜈1 0.37 ∗ 10−6 Где 𝜈1 = 0.37 ∗ 10−6 , м2 с −коэффициент кинематической вязкости при средней температуре жидкости 𝑇ср = 80°С. Вторичный теплоноситель 𝑅𝑒2 = где dэ = 𝜐2 ∗ 𝑑э 0.13 ∗ 0.0035 = = 535.3; 𝜈2 0.85 ∗ 10−6 4∗∆f Pсм = 4∗0.004 = 0.0035 м; 4.5 Pсм = π(D + dH ∗ n) = 3.14 ∗ (0.213 + 0.033 ∗ 37) = 4.5 м. где ν2 = 0.85 ∗ 10−6 , м2 с −коэффициент кинематической вязкости при средней температуре жидкости t ср . 9. Определим режим течения теплоносителей и расчетные формулы критерия Нуссельта. R e1 = 16891 > 104 режим движения воды турбулентный, критерий Нуссельта определяем по формуле 1.4 R e2 = 535.3 < 2300 режим движения воды ламинарный, для уточнения режима движения воды рассчитаем критерий (GrPr)0 . (GrPr)0 = 𝑔 ∗ 𝛽0 (𝑡𝑐 − 𝑡ж ) ∗ 𝑑э3 ∗ 𝑃𝑟0 , 𝜈02 где 𝑡ж = 𝑡ср = 27.5°С; 𝑡с = 𝑡ж + ∆𝑡 = 27.5+63 = 90.5 °С; где ∆𝑡 −логарифмический перепад температур на теплообменнике. Принимаем движение в противотоке, тогда ∆𝑡 = (𝑇1 −𝑡2 )−(𝑇2 −𝑡1 ) 𝑇 −𝑡 𝑙𝑛 1 2 𝑇2 −𝑡1 = (95−50)−(90−5) 𝑙𝑛 95−50 90−5 = 63°С. Тогда 𝑡0 = 0.5(𝑡ж + 𝑡с ) = 0.5 ∗ (27.5 +90.5)= 59°С −определяющая температура. Значения коэффициентов и критерия Прандтля принимаются при определяющей температуре. 𝛽0 = 4.8499 ∗ 10−4 1 °С −температурный коэффициент объемного расширения воды, 𝑃𝑟0 = 3.35365 −критерий Прандтля, 𝜈0 = 0.53144 ∗ 10−6 м2 с −коэффициент кинематической вязкости воды. Тогда 5 𝑔 ∗ 𝛽0 (𝑡𝑐 − 𝑡ж ) ∗ 𝑑э3 (GrPr)0 = ∗ 𝑃𝑟0 𝜈02 9.81 ∗ 4.8499 ∗ 10−4 ∗ (90.5 − 27,5) ∗ 0.00353 ∗ 3.35365 (𝐺𝑟𝑃𝑟)0 = (0.53144 ∗ 10−6 )2 = 1.526 ∗ 105 ; Т.к (𝐺𝑟𝑃𝑟)0 < 106 −режим движения воды вязкостный, в качестве расчетной формулы для определения критерия Нуссельта для воды возьмем формулу 1.3 для жидкость труба. 10. Определим коэффициенты теплоотдачи. 𝑁𝑢1 = 0.023 ∗ 𝑅𝑒10.8 ∗ 𝑃𝑟10.4 = 0.023 ∗ 168910.8 ∗ 2.250.4 = 76,7 Где 𝑃𝑟 = 2.25 критерий Прандтля для воды, принятый при 𝑇ср. 𝑎1 = 𝑁𝑢1 ∗𝜆ж1 𝑑ВН = 76,7∗0.675 0.025 Где 𝜆ж1 = 0.675 Вт м∗°С Вт = 2070,9 2 м ∗°С −- коэффициент теплопроводности, принятый при 𝑇ср. . 𝑑 0,3 𝜇ж 0,14 𝑁𝑢2 = 1,55 (𝑃𝑒0 ) (𝜇 ) 𝑙 с . Критерий Пекле: 𝜈 ∗𝑑э 𝑃𝑒0 = 2 𝑎0 = 0.13∗0.0035 15.84∗10−8 Где 𝑎0 = 15.84 ∗ 10−8 =2872,5; м2 с −коэффициент температуропроводности, принятый при 𝑡0 . Примем длину теплообменника 𝑙 = 3.75 м, 𝜇ж ,𝜇с −коэффициенты динамической вязкости воды. 𝜇ж − 851.75 ∗ 10−6 Па; 𝜇с − 355 ∗ 10−6 Па. 𝑁𝑢2 =1,55∗ (2872,5 ∗ 𝑎2 = 0.0035 0.4 3.75 ) ∗( 851.75∗10−6 355∗10−6 0.14 ) = 2,45 𝑁𝑢2 ∗ 𝜆ж2 2,45 ∗ 0.613 Вт = = 429,1 2 . 𝑑э 0.0035 м ∗ °С Где 𝜆ж2 − 0.613 − Вт м∗°С -коэффициент теплопроводности, принятый при 𝑡ср. 6 11.Определим коэффициент теплопередачи: 1 1 Вт 𝐾= = = 345,62 2 . 1 0.004 1 1 𝛿ст 1 м ∗ °С + + + + 429,1 50 𝑎1 𝜆ст 𝑎2 2070,9 где δст −толщина стенки трубы, δст =0,004 теплопроводности стали, λст = 50 ВТ/м°С. 12.Определим площадь теплообмена: 𝑄 100 ∗ 103 𝐹= = = 4.6 м2 . 𝐾 ∗ ∆𝑡 345,62 ∗ 63 𝑙= 𝐹 4.6 = = 1,2м. 𝜋 ∗ 𝑑н ∗ 𝑛 3.14 ∗ 0.033 ∗ 37 Рассчитаем погрешность: 1,2 ∗ 100 = 32 % 3.75 м; λст - коэффициент Проверочный расчёт 13.Определим водяные эквиваленты теплоносителей: 𝑐1 = 4195 Дж/кг °С ( при 𝑇ср. = 92.5°С) 𝑐2 = 4176 Дж/кг °С ( при 𝑇ср. = 27.5°С) Первичный теплоноситель 𝑊 1 = 𝑐1 ∗ 𝑀1 = 4,195 ∗ 4,8 = 20,136 кВт/°С; Вторичный теплоноситель 𝑊 2 = 𝑐2 ∗ 𝑀2 = 4,179 ∗ 0.53 = 2,21 кВт/°С. 14.Отношение водяных эквивалентов: 𝑊1 𝑊2 = 20,136 2,21 𝐾∗ =9,1 𝐹 4,6 = 345,62 ∗ = 0,08. 𝑊1 20,136 ∗ 103 Определим значение коэффициента Z=0.065. 15. Проверка выбранных температур: T2 = T1 − (T1 − t1 ) ∗ Z = 95 − (95 − 5) ∗ 0.065 = 89.15 °С; t 2 = t1 + (T1 − t1 ) ∗ Z ∗ W1 W2 = 5 + (95 − 5) ∗ 0.065 ∗ 9.1 = 58,2°С. Принятое в расчете произвольное значение температуры T2 не отличается более, чем на 20% от полученных в проверочном расчете, поэтому расчет теплообменника выполнен верно. Конструктивные размеры теплообменника и его основные параметры 1. Тепловая мощность теплообменника, кВт 100 2. Площадь теплообмена м2 4,6 3. Расходы теплоносителей (вода), кг/с - первичного 4,8 - вторичного 0.53 4. Температура на входе ТО, °С - первичного ТН 95 - вторичного 5 5. Температура на выходе ТО, °С -первичного ТН 90 -вторичного ТН 6. Число труб, шт 7. Наружный диаметр труб, мм 8. Толщина стенки труб, мм 50 37 33 4 Габаритные размер, мм 710× 213 9. Список литературы 1) М.В. Меркулов, В.А. Косьянов, А.Ю. Башкуров, С.В. Головин Теплотехника и техническая термодинамика: учебное пособие. – Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166с.
