Розділ I. Розрахунок рекуперативних теплообмінників 1 страница

Міністерство освіти і науки України

Одеська державна академія холоду

Календер'ян В.О, Бошкова I.Л.

ЗБІРНИК ЗАДАЧ

ПО ТЕПЛОМАСООБМІННИМ АПАРАТАМ

Рекомендовано

Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів енергетичних спеціальностей

Одеса – 2010

УДК

Календер'ян Віргінія Олександрівна, Бошкова Ірина Леонідівна

Збірник задач по тепломасообмінним апаратам.

Навчальний посібник для Вузів. - Одеса: ОДАХ, 2010.- 142 с.

Приведені задачі по рекуперативним теплообмінникам, теплообмінникам з трьома теплоносіями, апаратам з проміжним теплоносієм, рекуператорам періодичної дії, сонячним колекторам, системам теплообмінників. а також по теплообмінникам з дисперсними системами та регенераторам. Приводяться приклади розв’язування найбільш характерних задач. Книга призначена для студентів енергетичних спеціальностей.

Рецензенти:

Л.Г. Калінін, д-р техн. наук, професор Одеського національного інституту харчових технологій.

В.О. Дроздов, д-р фіз.-мат. наук, професор кафедри Одеського інституту сухопутних військ.

В.Р. Нікульшин, д-р техн. наук, професор Одеського національного політехнічного університету

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний посібник для студентів енергетичних спеціальностей.

Письмо № 1.4/18-Г-1539 від 03.07.2008 р.

ЗМІСТ

Передмова
Розділ I. Розрахунок рекуперативних теплообмінників
1. Розрахунок рекуперативних теплообмінників безперервної дії
1.1 Розрахунок теплообмінників із однофазними теплоносіями
1.2 Розрахунок теплообмінників із двофазними теплоносіями
1.3 Розрахунок теплообмінників із трьома теплоносіями
2. Розрахунок рекуперативних теплообмінників періодичної дії
2.1 Розрахунок теплообмінників із паровим обігрівом
2.2 Розрахунок теплообмінників із обігрівом однофазним теплоносієм
3. Розрахунок теплообмінників із проміжним теплоносієм
4. Задачі до розділу I для самостійного розв’язання
Розділ II. Розрахунок регенеративних теплообмінників (регенераторів)
5 Розрахунок ідеальних і реальних регенераторів
6 Задачі до розділу II для самостійного розв’язання
Розділ III. Розрахунок теплообмінників із дисперсними системами
7 Розрахунок контактних теплообмінників
7.1 Розрахунок теплообмінників із псевдозрідженим шаром
7.2 Розрахунок теплообмінників із щільним рухомим шаром, що продувається.
7.3 Розрахунок теплообмінників із проміжним дисперсним теплоносієм
8. Розрахунок рекуперативних теплообмінників із дисперсними системами
8.1 Розрахунок теплообмінників із щільним рухомим шаром
8.2 Розрахунок теплообмінників із псевдозрідженим шаром
9. Розрахунок тепломасообмінних апаратів
9.1 Розрахунок сушарок із щільним рухомим шаром
9.2 Розрахунок сушарок із псевдозрідженим шаром
10 Задачі до розділу III для самостійного розв’язання
Розділ IV. Розрахунок сонячних колекторів
11 Розрахунок корисного теплового потоку і теплових втрат у сонячних колекторах
12 Конструкторський розрахунок сонячних колекторів
13 Задачі до розділу IV для самостійного розв’язання
Розділ V. Розрахунок систем теплообмінників
14 Розрахунок систем теплообмінників ступінчастим методом
15 Розрахунок систем теплообмінників методом -струму
16 Задачі до розділу V для самостійного розв’язання
Перелік посилань
Додаток

ПЕРЕДМОВА

Метою вивчення дисципліни «Теплоносії і тепломасообмінні апарати» є набуття студентами навичок використання наявних у даний час методик розрахунку різних апаратів для розв’язання прикладних задач. Ця частина навчального процесу безпосередньо зв'язана з підвищенням ролі самостійної роботи студентів, що вимагає наявності відповідних навчальних посібників.

У збірник включені задачі конструкторських та перевірочних розрахунків тепломасообмінних апаратів. Методи теплових розрахунків різних апаратів вивчаються у відповідному лекційному курсі і приведені в навчальному посібнику «Тепломасообмінні апарати» [1]. Збірник складається з п'яти розділів, у яких наведені задачі для самостійного розв’язання, а також приклади розв’язання найбільш характерних задач. Перший розділ присвячений розрахункам рекуперативних теплообмінників методами ефективності та середнього температурного напору при допущеннях про незмінність коефіцієнтів тепловіддачі і теплопередачі, приведені також методи, що враховують зміну зазначених характеристик в залежності від температури. Зіставлено результати розрахунків, отримані різними методами. Приведені розрахунки теплообмінників із трьома теплоносіями, апаратів із проміжним теплоносієм, а також рекуператорів періодичної дії. В другому розділі розглядаються регенеративні теплообмінні апарати і наводяться приклади їх розрахунку для випадків, коли регенератор може розглядатися як ідеальний і як реальний. Третій розділ задачника відноситься до теплообмінників із дисперсними системами. Задачі, що приводяться в ньому, охоплюють основні типи контактних і поверхневих теплообмінних апаратів даного класу, зокрема теплообмінники із проміжним дисперсним теплоносієм, а також сушарки. У четвертому розділі приведені розрахунки сонячних колекторів. У п’ятому розділі розглядаються різні методи розрахунку систем теплообмінників.

У додатку наведені таблиці теплофізичних властивостей речовин, найбільш часто застосовуваних як теплоносії, і властивості конструкційних матеріалів, які використовуються у теплообмінних апаратах.

Збірник задач разом з навчальним посібником [1] дозволить студентам освоїти різні методи теплових розрахунків різноманітної тепломасообмінної апаратури і придбати практичні навички застосування цих методів в інженерних розрахунках.

При самостійному розв’язанні задач рекомендується дотримуватися такої методичної схеми [2]:

1. Зрозуміти запропоновану задачу: чітко уявити собі, що невідомо, що дано, у чому складається умова. Розумінню задачі часто допомагає представлення робочих процесів у схемах і діаграмах.

2. Скласти план розв’язання задачі: вибрати залежності між заданими і невідомими величинами у виді конкретних розрахункових співвідношень, скласти алгоритм розв’язання в загальному вигляді, тобто в літерних позначеннях величин, після чого перевірити, чи усі вихідні дані використані.

3. Реалізувати план розв’язання: контролювати кожен розрахунок, домагаючись ясного уявлення про правильність виконання дій і обчислень.

4. Критично оцінити отримані результати: при аналізі проміжних і кінцевих результатів оцінити фактори, що визначають ці результати, представляючи, наприклад, у яку сторону змінюються результати рішення при зміні вихідних даних або умов задачі. Важливо оцінити і правдоподібність результатів, узгодження їх з теоретичними і практичними даними.

Збірник задач призначений для студентів спеціальностей 090510 “Теплоенергетика” і 090504 „Нетрадиційні джерела енергії”, а також може бути корисним студентам інших енергетичних спеціальностей.

Розділ I. Розрахунок рекуперативних теплообмінників

1. Розрахунок рекуперативних теплообмінників безперервної дії

1.1 Розрахунок теплообмінників із однофазними теплоносіями

Задача 1.1. У теплообміннику типу «труба в трубі» вода, що гріє, рухається по внутрішній сталевій трубі діаметром мм і має температуру на вході . Витрата води, що гріє, кг/с. Холодна вода рухається протиструмом по кільцевому каналу між трубами і нагрівається від до . Витрата води, що нагрівається, кг/с. Внутрішній діаметр зовнішньої труби мм. Довжина однієї секції теплообмінника м. Витратами теплоти через зовнішню поверхню теплообмінника зневажити.

Визначити площу поверхні нагрівання і число секцій. Провести розрахунок теплообмінника методом середнього температурного напору. Властивості теплоносіїв, коефіцієнти теплопередачі і тепловіддачі вважати постійними.

Розв’язання.

1. Знаходимо середньоарифметичні значення температур і теплофізичні властивості води, що гріє і нагрівається [Табл.1 Додатку]:

⁰С

кг/м³; м²/с; Вт/(мК);

кДж/(кгК);

⁰С

кг/м³; м²/с; Вт/(мК);

кДж/(кгК);

2. Визначаємо кількість переданої теплоти і температуру води, що гріє, на виході:

кВт

⁰С

3. Визначаємо швидкості руху теплоносіїв:

м/с

4. Визначаємо середній коефіцієнт тепловіддачі для води, що гріє.

Число Рейнольдса:

Режим плину води – турбулентний. Вибираємо потрібну залежність для числа Нуссельта [3]:

Для визначення числа необхідно знати температуру стінки. У першому наближенні можна прийняти, що температура стінки дорівнює середній між середніми значеннями температур теплоносіїв:

При цій температурі

Тоді коефіцієнт тепловіддачі від води, що гріє, до стінки труби:

Вт/(м²К)

5. Визначаємо середній коефіцієнт тепловіддачі від стінки до води, що нагрівається.

Число Рейнольда:

Режим плину – турбулентний. При турбулентному режимі плину в кільцевому каналі число Нуссельта визначається наступною залежністю [3,9]:

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до води, що нагрівається:

Вт/(м²К)

6. Розраховуємо коефіцієнт теплопередачі:

Вт/(м²К)

7. Проводимо розрахунок середнього температурного напору.

У розглянутому випадку - можна використовувати середньоарифметичний температурний напір:

⁰С.

8. Знаходимо щільність теплового потоку:

Вт/м²

9. Площа поверхні нагрівання:

м²

10. Число секцій:

11. Розраховуємо температури внутрішньої і зовнішньої поверхонь труби.

⁰С

При цих температурах і ; поправки на напрямок теплового потоку мають наступні значення (табл. 1 Додатку):

- у розрахунку прийнято 0,92;

- у розрахунку прийнято 1,12.

Можна вважати, що збіг задовільний.

Тоді: площа поверхні теплообмінника м², число секцій

Задача 1.2. Розв’язати задачу 1.1 методом ефективності.

Розв’язання.

1. Розраховуємо значення водяних еквівалентів гріючої і нагріваємої води:

Вт/К

зі значень і вибираємо менше: =2,49·10³ Вт/К.

2. По заданих вхідних і вихідних температурах теплоносіїв розраховуємо ефективність теплообмінника по теплоносію з меншим водяним еквівалентом:

3. Тепловий потік:

кВт

4. Розраховуємо коефіцієнти тепловіддачі з відповідних критеріальних рівнянь і коефіцієнт теплопередачі (алгоритм і результати розрахунку приведені в задачі 1.1). Тоді, відповідно: Вт/(м²К); Вт/(м²К), Вт/(м²К)

4. Визначаємо число одиниць переносу теплоти для теплоносія з меншим водяним еквівалентом з рівняння [1,4,5]:

знайшовши значення , що відповідає обраній схемі руху,

- характеристика схеми руху, що змінюється для різних схем у межах від нуля (прямотечія) до одиниці (протитечія) [1,4,5].

Розглядається протитечія,

Відношення водяних еквівалентів

Тоді число одиниць переносу:

5. Обчислюємо площу теплообмінної поверхні із співвідношення м².

6. Число секцій:

Задача 1.3. Виконати методом середнього температурного напору перевірочний розрахунок теплообмінника, розміри якого приведені в задачі 1.1. Витратами теплоти через зовнішню поверхню теплообмінника знехтувати. Площу теплообмінної поверхні прийняти рівною м².

Властивості теплоносіїв, коефіцієнти теплопередачі і тепловіддачі вважати постійними.

Розв’язання.

1 Задаємося вихідними температурами теплоносіїв у першому наближенні: , ⁰С , ⁰С

2 Теплофізичні властивості гріючої води і води, що нагрівається (табл. 1 Додатку):

⁰С

кг/м³; м²/с; Вт/(мК);

кДж/(кгК);

⁰С

кг/м³; м²/с; Вт/(мК);

кДж/(кгК);

2. Середньоарифметичний температурний напір:

⁰С

3. Обчислюємо коефіцієнт тепловіддачі від води, що гріє, до стінки.

Визначаємо швидкість руху води:

м/с

Число Рейнольдса:

Режим течії води – турбулентний, для розрахунку числа Нуссельта використовуємо залежність [3]:

Підставляємо отримані вище числові значення:

При середній температурі стінки значення

Коефіцієнт тепловіддачі від води, що гріє, до стінки труби:

Вт/(м²К)

4. Коефіцієнт тепловіддачі від стінки до води, що нагрівається.

Визначаємо швидкість руху води:

м/с

Розраховуємо число Рейнольдса:

Для турбулентного руху рідини в кільцевому каналі число Нуссельта визначаємо по залежності [3,9]:

Коефіцієнт тепловіддачі від стінки труби до води, що нагрівається:

Вт/(м²К)

4. Розраховуємо коефіцієнт теплопередачі:

Вт/(м²К)

5. Визначаємо тепловий потік з рівняння теплопередачі: Вт

6. Розраховуємо вихідні температури теплоносіїв з рівняння теплового балансу: ⁰С

⁰С

7. Зіставляємо отримані значення вихідних температур із прийнятими в першому наближенні: похибка визначення вихідної температури теплоносія, що гріє, складає 23 %, що нагрівається - 2,3 %. Повторюємо розрахунок у другому наближенні.

Задаємося вихідними температурами теплоносіїв у другому наближенні: ⁰С ⁰С. Повторивши рішення по приведеному вище алгоритму, одержуємо:

Тепловий потік: Вт

Вихідні температури теплоносіїв:

;

Умову узгодження прийнятих і отриманих температур виконано, розрахунок вважаємо остаточним.

Задача 1.4. Виконати методом ефективності перевірочний розрахунок теплообмінника, розміри якого приведені в задачі 1.1. Вода, що гріє, має температуру на вході , її витрата кг/с. Температура води, що нагрівається, на вході -, її витрата кг/с. Площа теплообмінної поверхні м². Витратами теплоти через зовнішню поверхню теплообмінника знехтувати.