ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ АВИАЦИОННОГО КОЖУХОТРУБНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

1. Задание на выполнение расчета

Выполнить тепловой и гидравлический расчет кожухотрубного одноходового аппарата (ТА) перекрестного тока, предназначенного для подогрева топлива, для охлаждения воздуха или масла.

Горячий (теплоотдающий) теплоноситель (воздух, масло) с массовым расходом G₁, давлением и температурой на входе P₁ и t₁ движется внутри труб (в трубной полости). Холодный (тепловоспринимающий) теплоноситель (топливо, воздух) с массовым расходом G₂, давлением и температурой на входе и движется в межтрубном пространстве (в межтрубной полости).

Теплообменник имеет форму цилиндра с длиной L и внутренним диаметром кожуха D_к (рис.3.1). Пучок прямых цилиндрических труб ограничен двумя плоскими трубными досками и цилиндрическим кожухом.

Геометрические характеристики пучка: L – длина труб с учетом толщины трубных досок; L_тр – длина труб без учета толщины трубных досок; α_тр - наружный диаметр труб; δ_тр – толщина стенок труб. Расположение труб в пучке – шахматное (рис.3.2); х₁ – величина зазора между трубами в направлении, перпендикулярном направлению потока теплоносителя в межтрубной полости; х₂ – величина зазора между трубами соседних рядов; х₄ – расстояние между осями соседних рядов по глубине пучка; δ_min - величина минимально допустимого зазора между крайними трубками в рядах и наружным кожухом. Схема движения теплоносителей – перекрестная, одноходовая, причем в межтрубной полости теплоноситель перемешивается, а в трубной - нет.

Материал труб, трубных досок и корпуса – нержавеющая сталь: ; .

Исходные данные для различных вариантов заданий приведены в табл.3.1.

Изложенная ниже методика расчета и расчетные зависимости апробированы и используются на Нижегородском производственном объединении «Теплообменник».

Рис.3.1. Схема теплообменного аппарата

Рис.3.2. Схема размещения труб в трубном пучке с шахматной разбивкой

Таблица 3.1

Исходные данные для выполнения поверочного расчета ТА

2. Расчет геометрических параметров

Площадь проходного сечения патрубков

; . (3.1)

Гидравлический диаметр каналов в трубной и в межтрубной полостях

; . (3.2)

Расстояние между осями труб в поперечном и продольном направлениях:

; . (3.3)

Длина теплообменника с трубными досками

. (3.4)

Площадь фронтального сечения трубной полости

. (3.5)

Величина максимального расстояния от первого ряда труб до последнего

. (3.6)

Число рядов труб в половине теплообменника (округлить до целого)

N_p= R_max/x₄+1. (3.7)

Расстояние от оси первого до оси последнего ряда

R_м=(N_p-1)x_4. (3.8)

Если R_м больше R_max, то принимается

N_p=N_p-1. (3.9)

Расстояние от оси ОУ теплообменника до оси I–го ряда труб (I=1-N_p)

z(I)=z(1)+x₄(I-1). (3.10)

Длина половины хорды I–го ряда труб

. (3.11)

Количество труб в нечетных рядах (в половине ряда)

, (I=1, 3, 5…). (3.12)

Количество труб в четных рядах (в половине ряда)

, (3.13)

(I=2, 4, 6…).

Полное количество труб в четных рядах (в половине теплообменника)

. (3.14)

Полное количество труб в нечетных рядах (в половине теплообменника)

. (3.15)

Количество труб в теплообменнике

(3.16)

Площадь поверхности теплообмена в трубной полости

. (3.17)

Площадь поверхности теплообмена в межтрубной полости

. (3.18)

Площадь фронтального сечения в межтрубной полости

. (3.19)

Площадь для прохода теплоносителя в межтрубной полости в I-том ряду труб

. (3.20)

Сечение площади ля прохода теплоносителя в межтрубной полости

. (3.21)

Площадь для прохода теплоносителя в трубной полости

. (3.22)

3. Тепловой расчет

При выполнении поверочного расчета в нулевом (начальном) приближении принимается, что температура теплоносителя на входе из трубной полости равна температуре на входе в межтрубную полость

. (3.23)

Средняя температура теплоносителя в трубной полости

. (3.24)

По определяются теплофизические свойства теплоносителя при средней температуре: (см. приложение).

Потребная тепловая нагрузка в теплообменнике

. (3.25)

В нулевом (начальном) приближении принимается, что температура теплоносителя на выходе из межтрубной полости равна температуре теплоносителя на входе в трубную полость

(3.26)

Вычисляется средняя температура теплоносителя в межтрубной полости

. (3.27)

По определяются теплофизические свойства: (см. приложение).

Уточняется температура теплоносителя на выходе из межтрубной полости

. (3.28)

Если выполняется условие (3.29)

то принимается и расчет повторяется с формула (3.26).

Вычисляются водяные эквиваленты теплоносителей в трубной и межтрубной полостях

. (3.30)

Вычисляются наименьшая и наибольшая из величин и .

Вычисляется отношение водяных эквивалентов

. (3.31)

Вычисление коэффициентов теплоотдачи:

Массовые скорости теплоносителей

, . (3.32)

Число Рейнольдса

, . (3.33)

Число Прандтля

, . (3.34)

Число Пекле для теплоносителей в трубной полости

. (3.35)

Число Нуссельта в трубной полости

при . (3.36)

при . (3.37)

где Re=2200, 2300, 2500, 3000, 3500, 4000, 5000, 6000, 7000, 8000, 9000;

=0,22; 0,35; 0,45; 0,59; 0,7; 0,76; 0,86; 0,91; 0,96; 0,98; 0,99.

В случае если Re₁<2200 и , то

. (3.38)

Если число получается меньше 3,66, то принимается .

Коэффициент теплоотдачи в трубной полости

. (3.39)

Температура стенки трубы

(3.40)

где в нулевом приближении задается равным 100

Число Нуссельта в межтрубной полости

при . (3.41)

при . (3.42)

При переходном режиме 2000<Re₂<10000

. (3.43)

Где ;

.

Коэффициент теплоотдачи в межтрубной полости

. (3.44)

Сравнивается полученное значение с и, если разница превышает , то расчет повторяется с формулы (3.36) при .

Коэффициент теплопередачи, отнесенный к поверхности на стороне теплоносителя в трубной полости

. (3.45)

Число единиц переноса теплоты

. (3.46)

Вспомогательная величина

. (3.47)

Тепловая эффективность теплообменника

. (3.48)

Если теплоноситель с меньшим значением водяного эквивалента перемешивается: (в межтрубной полости);

. (3.49)

Если теплоноситель с меньшим значением водяного эквивалента не перемешивается (в трубной полости).

Тепловая нагрузка в теплообменнике

. (3.50)

Температура теплоносителя на выходе из трубной полости

. (3.51)

Если выполняется условие , то выполняется гидравлический расчет. Если условие не выполняется, то расчет выполняется с формулы (3.24).

4. Гидравлический расчет

Расчет гидравлических потерь в трубной полости по средней температуре теплоносителя.

Суммарные гидравлические потери

(3.52)

Гидравлические потери на трение при движении теплоносителя по трубам

Па (3.53)

Для воздуха . (3.54)

Где в нулевом приближении задается равным нулю.

Коэффициент гидравлического сопротивления трения вычисляется по формуле Пуазейля при

. (3.55)

По формуле Блазиуса при ;

. (3.56)

По формуле Никурадзе при

. (3.57)

Гидравлические потери на местные сопротивления при входе в трубное пространство и выходе из него

(3.58)

Где и определяются с помощью графика (рис. 2.2) по отношению .

Гидравлические потери в патрубках подвода и отвода теплоносителя

(3.59)

Здесь коэффициенты гидравлических сопротивлений находятся с помощью графика (рис. 2.2) по отношению ; величины плотности и вычисляются при температурах входа и выхода , причем для воздуха – с учетом потерь давления

;

Если полученное значение отличается от исходного более чем на 100 Па, то расчет выполняется с формулы (3.54).

Расчет гидравлических потерь в межтрубной полости по средней температуре.

Суммарные гидравлические потери

. (3.60)

Гидравлические потери при поперечном омывании пучка труб

Па. (3.61)

Для воздуха ,

где в нулевом приближении задается равным нулю.

Коэффициент гидравлического сопротивления при поперечном омывании шахматных пучков труб

при , (3.62)

при . (3.63)

При расчете одноходового цилиндрического теплообменника .

Потери на местные сопротивления при входе в межтрубное пространство и при выходе из него в теплообменнике цилиндрической формы вычисляются по формуле

, (3.64)

где ; ; - определяется по средней температуре теплоносителя.

Гидравлические потери в патрубках подвода и отвода теплоносителя в межтрубной полости теплообменника цилиндрической формы

, (3.65)

где ; ; величины плотности теплоносителя вычисляются по температурам входа и выхода, причем для воздуха – с учетом потерь давления:

; (3.66)

. (3.67)

Если полученное значение отличается от исходного более чем на 100 Па, то расчет повторяется.

3.5. Расчет массы матрицы теплообмена

Масса трубок

. (3.68)

Масса трубных досок

. (3.69)

Масса кожуха

. (3.70)

Масса цилиндрического теплообменника без патрубков

. (3.71)

Лабораторная работа № 4

Дата добавления: 2015-07-26; просмотров: 392; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!