Тепловой и гидравлический расчет

Тюменская Государственная Архитектурно-Строительная Академия

                                                                                             Кафедра ПТ

 

ТЕПЛОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

 ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к курсовой работе по ''Теоретическим основам теплотехники''

для студентов специальности

''Промышленная теплоэнергетика''

(100700)

Тюмень 2002

Методические указания к курсовой работе по тепловому и гидравлическому расчету теплообменного аппарата для студентов специальности ПТ. Подготовленны к.т.н. Ли В.Л. и д.т.н. Степановым О.А. Тюмень, ТюмГАСА, 2002г.

Рецензент д.т.н., профессор                                                          Моисеев Б.В.

Учебно-методический материал обсужден и утвержден на заседании

 кафедры ПТ

Протокол № 4 от '' 5 '' февраля 2002 г.

Зав. кафедрой

Д.т.н., профессор                                                                                Степанов О.А.

Учебно-методический материал утвержден УМС академии:

протокол № ______ от ''_____''______________2002

Тираж 100 экземпляров

Содержание.

Введение……………………………………………………………………………...4

1. Общие сведения об аппаратах воздушного охлаждения………………….5

2. Основы теории и тепловой расчет теплообменного аппарата…………….9

2.1.Проверочный расчет теплообменного аппарата………….………….…….10

2.2.Определение коэффициента теплопередачи………………………………...11

3. Порядок расчета аппарата воздушного охлаждения………….…………....18

4. Гидравлический расчет аппарата воздушного охлаждения………………22

5. Пример расчета аппарата воздушного охлаждения для газа…………...23

6. Контрольные вопросы……………………………………………………….…30

Список литературы……………..……………………………………………….…31

Приложения………………………………………………………………………....32

ВВЕДЕНИЕ.

Настоящие методические указания содержат основные теоретические положения и порядок расчета теплообменных аппаратов, в частности аппаратов воздушного охлаждения. Разработанные указания помогут студентам закрепить теоретические знания по курсу ''Теоретические основы теплотехники'', а также выполнять самостоятельные инженерные расчеты теплообменных аппаратов. В процессе выполнения курсовой работы студенты рассчитывают массовые расходы теплоносителей, определяют температуры нагревающей и охлаждающей среды, коэффициенты теплопередачи и поверхность теплообмена. В заключительной части работы рассчитываются потери давления в аппарате.

Курсовая работа включает в себя расчетно-пояснительную и графическую части. В расчетно-пояснительной части должен быть представлен в соответствии с вариантом задания расчет режимов работы аппарата воздушного охлаждения метана (проверочный расчет).

Графическая часть проекта включает общий вид (сборочный чертеж) аппарата с выбранными конструктивными размерами и технической характеристикой. Графическая часть выполняется на формате А1.

Таблица 1.1.

Число ходов по трубному пространству в зависимости от числа рядов труб.

Тип аппарата	Число рядов/число ходов
АВМ,АВГ	4/1; 2; 4; 6/1; 2; 3; 3; 6 8/1; 2; 4; 8
АВЗ,АВЗ-Д	4/1; 2; 4; 8 6/1; 2; 4; 6 8/1; 2; 4; 8

Рис. 1.1. Виды оребренных труб АВО.

 - накатные монометаллические;  - накатные биметаллические;

- навитые в канавку;  - петельно-проволочные;

 - напрессованные пластинчатые;  - навитые с Г-образной лентой.

Конструктивное оформление АВО зависит от взаимного расположения секций и вентилятора (рис. 1.2). Как видно из рис. 1.2, теплообменные секции могут располагаться горизонтально, вертикально, наклонно и зигзагообразно, в результате чего получают различные компоновки АВО. Наиболее применимым является аппарат с горизонтальным расположением секций. Это упрощает монтажно-ремонтные работы, обеспечивает более равномерное распределение воздуха по секциям, однако они занимают большую площадь. Тепловая эффективность их в значительной степени зависит от скорости, направления ветра, кроме того, в этих аппаратах неравномерная загрузка подшипников вентилятора.

Аппараты воздушного охлаждения горизонтального типа (АВГ) выпускаются с длиной труб 4 и 8 м и коэффициентом оребрения 9 и 14,6. Они оборудуются одним вентилятором мощностью 40 кВт при длине труб 4 м и двумя вентиляторами при длине труб 8 м.

Наиболее перспективными аппаратами для охлаждения газа являются аппараты зигзагообразного типа (АВЗ), имеющие большие поверхности охлаждения (3500÷10200 м²), мощность вентиляторов 99 кВт.

Схема аппарата с зигзагообразным расположением секций сокращает площади, необходимые для размещения аппаратов, обеспечивает горизонтальное размещение вентилятора, лёгкость монтажа и обслуживания. Наиболее применима работа вентилятора на нагнетание в аппаратах горизонтального и зигзагообразного типа.

Производительность вентилятора меняют поворотом лопастей; это можно сделать вручную, пневматически, электромеханически или изменением скорости вращения двигателя либо применением гидродинамических муфт. В настоящее время АВО имеет в основном ручную регулировку производительности вентилятора, что создаёт трудности при поддержании постоянных выходных параметров в годовом цикле эксплуатации.

Для поддержания в зимний период постоянной температуры охлаждаемой среды осуществляется перепуск воздуха с помощью систем воздуховодов и жалюзи. Для запуска турбины, когда масло не прогрелось, АВО комплектуют подогревателями воздуха, расположенными под секциями труб. При эксплуатации АВО в зоне повышенных температур наружного воздуха для расширения диапазона температур применяется увлажнение воздуха, для чего в АВО оборудована система увлажнения с форсунками. Вода, поступающая в систему увлажнения, по рекомендации ВНИИнефтемаш должна отвечать следующим требованиям: ионов железа и ионов меди не более 0,3 мг/л, щелочных сульфидов не более 500 мг/л, общая жёсткость 0,5 мг-экв/л, взвеси твёрдых веществ не допускаются.

Рис. 1.2. Компоновка секции в теплообменных аппаратах воздушного охлаждения.

 - вертикальная;  - горизонтальная;  - шатровая;

 - зигзагообразная;  - замкнутая.

Камеры секций теплообменных аппаратов выполняются разъёмными и неразъёмными. Разъёмные камеры состоят из трубной решётки, где крепятся оребрённые теплообменные трубы и крышки со штуцером для подвода теплоносителя. Внутри крышки предусматриваются перегородки, уплотняемые прокладками в плоскости фланцевого соединения для обеспечения различного числа ходов охлаждаемой среды (газа, масла, воды), движущейся внутри трубного пространства.

Во избежание высоких термических напряжений перепад температур одной крышки многоходовой секции не должен превышать 100 ^оС. В верхней части крышек имеются воздушники, заглушённые резьбовыми пробками; в перегородках – отверстия для дренажа охлаждающей среды, а в нижней части – сливные отверстия, закрытые пробками.

Вентиляторы АВО представляют собой осевые машины. Они имеют большую производительность по воздуху при малых гидравлических напорах. Окружная скорость вращения лопастей не превышает 62 – 65 м/с при диаметре вентилятора от 0,8 до 7,0 м. Лопасти изготавливаются штамповкой и сваркой, колесо имеет от 3 до 8 лопастей, поворотных и неповоротных. Расход воздуха зависит от числа труб в секциях, коэффициента оребрения, технологических факторов, расположения труб в секциях. В связи с этим аэродинамические характеристики вентилятора могут быть получены только опытным путём, после продувки секций.

Привод вентиляторов АВО отечественного изготовления осуществляется электродвигателями разной мощности непосредственно от двигателя (диаметр колеса 0,8м) или через угловой редуктор. Вентиляторы диаметром 5,0м приводятся во вращение либо через специальный редуктор с гипоидным зацеплением, либо от специального низкооборотного электродвигателя.

Рабочий процесс в современных теплообменниках происходит или в условиях внутренней задачи, когда ядро потока находится во внутренней области по отношению к пограничному слою, покрывающему стенки канала, или в условиях внешней задачи, когда ядро потока находится во внешней области по отношению к пограничному слою.

Таблица 2.1

	1	2	5	10	15	20	30	40	50
	1,9	1,7	1,44	1,28	1,18	1,13	1,05	1,02	1

Критериальное уравнение конвективного теплообмена при турбулентном режиме движения жидкости имеет вид:

                                                                        (6)

где: - критерий теплофизических характеристик жидкости или критерий Прандтля, определяется из таблицы по средней температуре жидкости и стенки [5]. Для метана при определении критерия Прандтля необходимо учитывать давление газа.

     - коэффициент, учитывающий влияние на теплопередачу длины канала.

Основная сложность расчета теплообмена при переходном режиме движения теплоносителя состоит в правильном определении режима течения и в выборе расчетной формулы для переходной области течения, лежащей между и .

Теплоотдача к потоку теплоносителя в условиях внешней задачи характеризуется теми же физическими величинами, что и в условиях внутренней задачи. Однако здесь имеются следующие важные особенности, существенно видоизменяющие рабочий процесс.

Переменным сечением потока.

Компоновки пучка трубок, причем степень турбулентности первого ряда трубок обычно является наименьшей и увеличивается по мере прохождения потока через пучок. Однако при некоторой глубине турбулентность стабилизируется на уровне, присущем данной компоновке пучка.

Большинству типов конвективных поверхностей охлаждения аппаратов воздушного охлаждения, несмотря на существенные конструктивные отличия, присущ один общий элемент – элементарные каналы, по которым движется воздух. Эти элементарные каналы состоят из участков, глубина которых определяется размерами отдельных деталей поверхности охлаждения, т.е. размерами пластины, трубки, разрезного ребра и пр.

   Поперечное сечение воздушных каналов может быть различной формы: прямоугольной, квадратной, треугольной, щелевой, круглой и др.

Эквивалентные диаметры таких каналов для большинства типов АВО , а их глубина  не превышает 100-200 . При этом . При глубине каналов часто имеет место изменение формы и площади поперечного сечения, отклонение потока от продольного направления, образование различных местных выступов и впадин, что способствует турбулизации потока и разрыву пограничного сечения.

Скорости воздуха перед фронтом АВО, определяемые производительностью вентилятора и скоростным напором набегающего потока воздуха могут составлять 2-18 . Число Re, формально рассчитанное по этим скоростям, находятся в пределах 350 9000. Другими словами, рабочие процессы на омываемых воздухом поверхностях охлаждения, казалось бы, происходят при ламинарном и переходном режимах течения. Однако это положение оказывается правильным только для поверхностей охлаждения, состоящих из прямолинейных воздушных каналов с гладкими стенками.

Для поверхностей охлаждения АВО, имеющих сложную геометрию, число Re, определенное по обычно рекомендуемому методу, является лишь косвенной характеристикой течения. Наличие в воздушных каналах элементов, возмущающих поток, вызывает появление пульсационных составляющих скорости и приводит к такому обмену масс, что профиль скорости в потоке приобретает значения, которым соответствуют большие числа Re, чем при течении в гладких каналах. Такие турбулентные или квазитурбулентные условия, генерируемые формой поверхности охлаждения, наступают при определенных обычным методом числах Re» 500, т.е.когда турбулентный режим еще не должен был бы иметь место.

Следовательно, предпосылкой повышени эффективности поверхностей охлаждения является увеличение коэффициента теплоотдачи путем разрушения пограничного слоя (изменение характера течения в пограничном слое).

Для реализации высоких коэффициентов охлаждения к воздушному потоку большое значение имеет рациональная конструкция оребрения. В общем случае сопротивление теплопроводности можно считать состоящим из термического сопротивления стенок каналов и термического сопротивления оребрения. Толщина стенок каналов для АВО всех типов обычно мала, а коэффициент теплопроводности материалов стенок велик. Поэтому их термическое сопротивление не превышает 0,1 % от общего сопротивления теплообмену. Рассмотрим влияние термического сопротивления оребрения на теплоотдачу оребренной поверхности.

Окончательно имеем

,

где:                            ,                                             (11)

- приведенный коэффициент теплоотдачи, учитывающий теплоотдачу

  поверхности ребра , поверхности гладкой стенки со стороны

  оребрения и эффективность работы ребра .

В формуле  - суммарная поверхность теплообмена со стороны оребрения.

Обычно коэффициенты теплоотдачи с поверхности ребра  и с гладкой части стенки равны между собой , поэтому уравнение принимает вид:

                                 ,                                              (12)

где коэффициент теплоотдачи носит название внешнего коэффициента теплоотдачи. Его вычисление производится как и для случая внутренней задачи, т. е

                                                                                                        (13)

Критерий определяется по различным формулам в зависимости от типа оребрения, расположения трубок и  т.д.[1]

При использовании в качестве теплоносителя воздуха в случае применения АВО рекомендуется использовать уравнение Э.Р. Карасиной:

                         ,                                        (14)

где   - диаметр наружной оребренной поверхности, м

       - шаг ребра, м

      - высота ребра, м

   

В качестве определяющего размера   в формуле (13) используется наружный диаметр трубки, несущей оребрение.

Применение уравнения теплопроводности для плоской стенки при расчетах криволинейных стенок радиаторов обосновано тем, что в радиаторах применяются тонкостенные трубки и ошибка в расчетах при применении уравнений плоской стенки составляет незначителтную величину:

Например, при отношении внешнего диаметра к внутреннему  ошибка расчета составляет всего 4%. В радиаторах отношение  значительно меньше.

Или

                                                

Величина  называется коэффициентом теплопередачи, отнесенным к единице оребренной поверхности:

                                                 (15)

Отношение оребренной поверхности   к гладкой поверхности   (т.е. к поверхности, когда оребрение отсутствует) носит название коэффициента оребрения ;

                                                  ,                                                  

и является важной характеристикой теплообменного аппарата.

Порядок расчета АВО.

Из задания на проектирование (Прил. 1) выбираем исходные данные для варианта. Подбираем АВО (Прил. 2) наиболее близкий по параметрам к исходным данным: производительности вентилятора, параметрам оребрения и трубок, коэффициенту оребрения, числу ходов теплоносителя, площади поперечного сечения секции аппарата.

Таблица 3.1.

Число пересече-ний

n

W₁/W₂ ^*

0.5 0.75 1.0 1.25 1.50 1.75 2.0 1 0.5821 0.6224 0.6615  0.6981 0.7325 0.7646 0.7938 2 - 0.7996 0.9153 0.9597 0.9793 0.9889 0.9937 3 0.7360 0.9109 0.9623 0.9820 0.9907 0.9949 0.9971 4 0.8515 0.9499 0.9788 0.9899 0.9947 0.9971 0.9983

^* W₁ и W₂ – водяные эквиваленты горячего и холодного теплоносителей.

      .

Таблица 3.2.

Значения коэффициента А

Коэффициент оребрения

Коэффициент А

Расход воздуха вентилятора, ^.10³

290 564 600 672 14,6 0,074 - - - 21,2 - 0,094 0,095 0,105

10. Определяем критерий Нуссельта по уравнению Э.Р. Карасиной:

где - наружный диаметр ребер,

   - высота ребра,

   - шаг ребер,

11. Коэффициент теплоотдачи наружной поверхности :

где - коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре, ;

- эквивалентный диаметр, равный наружному диаметру трубок, несущих оребрение,

 

 12. Определяем приведенный коэффициент теплоотдачи ребристой поверхности:

где - коэффициент эффективности поверхности теплообмена, определяемый по формуле (10);

       значения гиперболического тангенса приведены в прил. 6.

  - площадь ребер, м²,

 где  - количество ребер на 1  погонный метр трубы;

  - толщина ребра, м;

  - площадь трубы, свободной от ребер, м

13. Вычисляем коэффициент теплопередачи:

.

14. Из уравнения теплопередачи определяем площадь теплообмена:

;

15.Сравниваем расчетное значение со значением площади по оребренным трубам выбранного аппарата. В случае расхождения расчетного значения с исходным более 5% повторяем расчет до достижения сходимости результатов с заданной точностью. Для этого подбираем второе значение температуры , а при необходимости третье и т.д.

4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙРАСЧЕТАВО

После проведения теплового расчета необходимо  определить затраты мощности на прокачку теплоносителя по трубам. При движении газа по трубам часть мощности расходуется на преодоление линейных   и местных   гидравлических сопротивлений. Линейное сопротивление или сопротивление трения   определяется по формуле Дарси:

где  - коэффициент сопротивления трения по длине трубы;

      - длина трубы;

    - внутренний диаметр трубы;

    - скорость движения теплоносителя;

    - плотность теплоносителя.

Коэффициет сопротивления различных режимов движения жидкости определяется по формулам:

Для ламинарного режима движения, когда :

.

Для турбулентного режима движения, если :

.

Для режима движения, когда > ,

.

При движении по шероховатым трубам, когда 2320 < Re < Re _кр,

где Re =568 ;

- абсолютная шероховатость труб.

Местные сопротивления обусловлены наличием вентилей, задвижек, сужений, расширений, поворотов. Потери напора в местных сопротивленях определяются по формуле:

,

где -коэффициент местных сопротивлении.

Пример расчета АВО для газа.

Исходные данные: Массовый расход  кг/с,

                             температура газа на входе в АВО ,

                             давление газа ,

                             температура воздуха на входе в аппарат ,

                             расход воздуха (производительность вентилятора) м³/с.

Для расчета принимается АВО зигзагообразного типа АВЗ, [ 5 ]

- число секций -6 шт. в каждой секции - 8 рядов труб длиной - 6м, которые образуют

один ход со стороны газа;

- поверхность теплообмена Н_сек=1250м², Н_ап=7560м²;

- коэффициент оребрения -  = 9;

- число вентиляторов на один аппарат - 1 шт.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

Коэффициент теплоотдачи неоребренной поверхности заметно превышает коэффициент теплоотдачи оребренной поверхности. Может ли в этом случае тепловой поток оребренной поверхности быть больше чем от неребренной?

Список литературы.

ВНИИНефтемаш. –М.: 1971. –318с.

Массовый расход метана

G,

Давление метана ,

Содержа-иие метана,

 %

Произ-ть вентиля-тора,

Q

Темп-ра

 воздуха на входе

, ^оС

Коэф-ент оребрения

Кол-во ребер на 1пм

Диаметр

Толщ. ребра ,

Ре-бра Трубы Нар., Трубы внутр., 1 2 85 80 20 3,5 90 290 0 14,6 0,341 394 56 28 22 0,85 3 4 75 70 30 4,0 95 600 5 21,2 0,196 394 57 26,4 21,2 0,49 5 6 65 60 40 4,5 92 564 10 21,2 0,205 433 57 25,4 21,0 0,6 7 8 55 50 50 5,0 90 672 15 21,2 0,218 433 57 25,4 21,2 0,45 9 10 45 40 60 5,5 88 672 0 21,2 0,341 433 57 28,4 21,0 0,5

Приложение 2

Показатели

Тип аппарата

2АВГ-75С АВЗ ''Крезо-Луар'' ''Ничи - мен''  ''Хад - сон'' Поверхность аппарата, : по оребренным трубам по гладким трубам Производительность:    Общая, 10³ Количество вентиля - торов, шт. Мощность вентиля - торов, Напор вентиляторов, Размеры труб: Длина, Диаметр внутренний,  Диаметр наружный, Диаметр оребрения, Число ребер на 1  длины трубы Ребро:    Толщина,    Высота, Число труб (в секции / аппарате) шт. Коэффициент оребрения Число рядов Число ходов Площадь поперечного сечения, 9930 - 820 2 73,2 12 21 25 57 400 0,6 20 6 1 0,186 7500 510 290 1 100 43 8 22 28 56 394 0,85 14 164 984 14,6 6 1 0,341 9360 441,2 600 2 59 160 10,0 21,2 26,4 57 394 0,49 15,8 276 552 21,2 6 1 0,196 10956 511,53 672,4 2 50,8 10,97 21,2 25,4 57 433 0,45 15,8 297 594 21,2 6 1 0,218 10793 509,3 564,5 2 44 11,2 21,0 25,4 57 433 0,6 21,2 6 1 0,205

        Приложение 3

Номограмма для определения теплоемкости природного газа в зависимости от содержания

Приложение 4

Значения кинематической вязкости метана  м²/с. .

Давление, атм

Температура, ^оС

0 25 75 1 10,5 11,3 12,85 20 10,9 11,6 13,2 60 12,45 12,9 13,8 100 14,5 13,95 14,8

Приложение 5

Т, К

Давление, бар

30 35 40 45 50 55 250 30,3 31,0 31,6 32,4 33,4 34,4 260 31,4 32,0 32,7 33,5 34,3 35,1 270 32,7 33,3 33,9 34,6 35,3 36,0 280 34,0 34,6 35,2 35,8 36,4 37,1 290 35,3 35,9 36,4 37 37,6 38,2 300 36,6 37,1 37,6 38,1 38,7 39,2 310 38,0 38,4 39,0 39,5 40,0 40,5 320 39,4 39,8 40,3 40,8 41,3 41,8 330 40,7 41,1 41,6 42,0 42,6 43,1 340 42,2 42,6 43 43,5 43,9 44,4

Приложение 6

Тюменская Государственная Архитектурно-Строительная Академия

                                                                                             Кафедра ПТ

 

ТЕПЛОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

 ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к курсовой работе по ''Теоретическим основам теплотехники''

для студентов специальности

''Промышленная теплоэнергетика''

(100700)

Тюмень 2002

Методические указания к курсовой работе по тепловому и гидравлическому расчету теплообменного аппарата для студентов специальности ПТ. Подготовленны к.т.н. Ли В.Л. и д.т.н. Степановым О.А. Тюмень, ТюмГАСА, 2002г.