Расчет спирального теплообменника для подогрева жидкого металла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва

Институт двигателей и энергетических установок

Кафедра теплотехники и тепловых двигателей

Контрольная работа

«Расчет спирального теплообменника для подогрева жидкого металла»

Выполнил:

Скачкова В.О.

г. Самара 2015

Содержание

1. Тепловой расчет

2. Гидравлический расчет

3. Расчет тепловых потерь

Заключение

Список использованных источников

Приложение

1. Тепловой расчет

1. Определяется среднелогарифмический температурный напор в теплообменнике

(2)

где - наибольшая концевая разность температур независимо от того, на каком конце аппарата она получается;

- наименьшая концевая разность температур.

2. Выбирается среднее значение скорости жидкого металла. В соответствии со списком использованных источников [3] с.204, для жидких металлов

Анализ зависимостей, приведенных в пунктах 8, 16, 18, 19 и 30, показывает, что минимальный размер D_к получается при наименьшем возможном диаметре трубки змеевика.

3. Определяется среднее значение плотности жидкого металла в соответствии со списком использованных источников [8]

Полученная величина округляется до стандартного значения. Практически для жидкометаллических теплоносителей величина принимается в пределах 10…20мм.

4. Выбирается значение наружного диаметра трубки змеевика

В данном задании расчет на прочность не производится. Из условия надежности при длительной эксплуатации величина должна быть не менее 1,5…2 мм.

5. Выбирается среднее значение скорости воздуха с учетом загромождения сечения кольцевого канала змеевиком. Целесообразно задаться тремя значениями скорости воздуха в пределах [3].

6. Определяется приближенное значение площади поперечного сечения кольцевого канала с учетом загромождения его змеевиком

7. Выбирается диаметр барабана из условия [3].

8. Определяется диаметр кожуха из условия

Представленное выражение является квадратным уравнением относительно. После постановки числовых значений уравнение решается обычным способом. Найденное значение округляется до ближайшего целого числа миллиметров .

9. Определяется коэффициент теплоотдачи от воздуха к змеевику

где и выбираются по из табл.2. [8]

Коэффициент теплоотдачи для первого витка змеевика



Коэффициент теплоотдачи для второго витка змеевика

Среднее значение коэффициента теплоотдачи для всего змеевика

где z - число витков змеевика.

Поскольку z неизвестно, то принимается по соотношению (20).

10. Определяется коэффициент теплоотдачи от жидкого металла к змеевику [2] с.330.

Значение физических параметров выбираются по из табл.1. [8]

Поправка на кривизну змеевика [2] с.92.

(24)

11. Определяется суммарное тепловое сопротивление

где - коэффициент теплопроводности материала змеевика.

В качестве материала трубки змеевика используются аустенитные хромоникелевые стали типа 1Х18Н9Т и др. Теплопроводность в интервале температур 100-700 изменяется в пределах . Температурная зависимость может приниматься линейной. Ориентировочно (с погрешностью 10-15%) теплопроводность сталей аустенитного класса может быть определена по формуле [6] с.390.

Пределы применимости формулы для сталей аустенитного класса при

Практически , поэтому температура стенки змеевика близка к температуре расплава. В формуле (25) величину следует принимать при средней температуре расплава (п.3).

12.Определяется длина трубки змеевика

13. Выбирается шаг S между витками змеевика

14. Определяется окончательное значение коэффициента теплоотдачи

Погрешность

2. Гидравлический расчет

Цель гидравлического расчета - определение необратимой потери давления воздушного потока, проходящего через аппарат.

Полное сопротивление аппарата складывается из местных потерь, обусловленных загромождением поперечного сечения кожуха змеевиком и барабаном и сопротивлением трения, возникающего при течении в длинных каналах.

1. Потеря давления в общем виде определяется соотношением:

Индекс «1» относится к условиям входа потока в кожух. Величина складывается из коэффициентов местного сопротивления для барабана и змеевика

В уравнении (1) - скорость набегающего потока в основном канале. Для данной схемы теплообменника величина определяется по максимальной площади канала

;

- определяется по условиям входа:

2. Определение .

При наличии в одном сечении трубы нескольких тел (комплект тел, в общем случае - разных форм и размеров) суммарный коэффициент местного сопротивления этих тел подсчитывается по формуле, полученной И.Е. Идельчиком [6].



Где y - расстояние центра тяжести тела от оси канала;

- площадь и диаметр наружного канала;

- площадь миделевого сечения тел, находящихся в канале;

- коэффициент лобового сопротивления тела, зависящий от формы тела, числа Re и других параметров.

Определяется из справочных данных

где - сила лобового сопротивления;

- площадь миделевого сечения тел, находящихся в канале;

k - коэффициент, учитывающий неравномерность скоростного поля. Является функцией числа Re канала.

Определяется из справочных таблиц [6], с. 343.

В таблице 1 где - м/с - скорость, отнесенная к полной площади канала

Для случая осесимметричной системы (рисунок 1)

- коэффициент сопротивления одного витка змеевика.

На основе литературных данных применительно к условиям проектирования данной конструкции величина может быть выбрана в пределах В данных расчетах принимаем

3. Определение.

Величина определяется соотношением

Величина определяется на основе опытных данных по результатам продувки труб с различной шероховатостью и зависит от числа

Условно считая проточную часть гладкой, величину можно определить на основе закона Флазиуса (в пределах )

Вычислим, соответствующее значение k=1,23; тогда

По результатам расчета строится график и для заданного определяются искомые значения

3. Расчет тепловых потерь на участке подводящего трубопровода

На участке между подогревателем и теплообменником тепловая изоляция осуществлена за счет воздушной прослойки между внешним кожухом и центральным трубопроводом (рисунок 1). Определение тепловых потерь в этом случае затруднительно, так как термическое сопротивление подобной системы зависит от температур внутренней и внешней стенки, величина которых заведомо неизвестна. Поэтому задачу необходимо решать методом последовательных приближений.

С этой целью, прежде всего, выбираются конструктивные размеры трубопровода.

1. Величина определяется по уравнению расхода, принимая скорость движения воздуха заданной

- [кг] плотность горячего воздуха, определяется по параметрам на входе в теплообменник.

Из (1) следует .

Толщина стенок трубопровода - выбирается в пределах . Принимаем Значения диаметров

В первом (и достаточно точном) приближении можно принять, что температура внутренней стенки (высокая скорость движения и соответственно достаточно высокое значение коэффициента теплоотдачи ).

2. В качестве неизвестной величины, определяющей тепловые потери, принимается температура внешней стенки .

При соблюдении условия (2) с возрастанием тепловой поток от внутренней стенки к внешней - убывает, а тепловой поток от внешней стенки в окружающую среду возрастает.

Задаваясь рядом значений , вычисляя и и откладывая графически зависимости в точке пересечения графиков определяются равновесная температура внешней стенки и величина тепловых потерь.

3. Расчет



Где полное термическое сопротивление между воздухом во внутренней трубе и внешней поверхностью наружной трубы складывается из четырех элементов:

- коэффициент теплоотдачи от воздуха во внутренней трубе к поверхности на диаметре .

- коэффициент теплопроводности материала стенок (хромоникелевая сталь) принимается при температурах и ;

- эквивалентный коэффициент теплопроводности кольцевой воздушной прослойки, учитывающий перенос тепла путем теплопроводности и конвекцией в ограниченном пространстве.

Величина определяется из отношения

где физические параметры воздуха отнесены к температуре.

Величина определяется соотношением [2], с. 79:

- коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре в воздушной прослойке

- поправочный множитель, учитывающий влияние конвекции на перенос тепла в кольцевой прослойке.

Определяется соотношением:

Физические величины, входящие в состав уравнения (8), принимаются при средней температуре воздуха по соотношению (7).

4. Определение .

Величина определяется как тепло, отдаваемое внешней поверхностью (на диаметре ) в окружающую среду путем естественной конвекции:

Величина определяется из критериального соотношения [2], с.73 (табл. 4).

Индекс «m» указывает, что физические параметры, входящие в состав критериев, берутся при средней температуре

Развернутое выражение для критерия Gr имеет вид

- кинематическая вязкость воздуха при температуре

5. Вычислив величины и при нескольких значениях (34), строится график (рисунок 2) и определяется равновесная потерь. Найденные величины являются первым приближением. Погрешность расчета не превышает 5-10%, поэтому дальнейшие уточнения не проводятся. Поэтому более правильно было бы задаться несколькими значениями с целью подбора оптимальной толщины воздушной прослойки. В силу трудоемкости расчетов в курсовой работе расчет производится только для заданного

6. Определяется значение температуры воздуха на выходе из электронагревателя, необходимое для получения заданного значения.

Заключение

В данной курсовой работе был проведен тепловой и гидравлический расчет теплообменного аппарата змеевикового типа для подогрева жидкого металла. В результате расчета были определены размеры теплообменного аппарата: внутренний и наружный диаметры змеевика и ; диаметр барабана ; диаметр змеевика ; минимальный размер кожуха, при котором потеря давления в теплообменном аппарате не превышает заданного значения ,

Была рассчитана тепловая изоляция подводящего трубопровода, выполненная в виде воздушной прослойки, заключенной между поверхностями подводящего и изоляционного трубопроводов . По данной толщине тепловой изоляции вычислена температура воздуха на выходе из электронагревателя, необходимая для получения заданного значения , .

металл трубопровод давление температурный

Список использованных источников

1. Под ред. В.К. Кошкина. Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике.

2. Михеев М.А. Основы теплопередачи. М., «Энергия», 1977, с. 343.

3. Петунин В.В. Теплоэнергетика ядерных установок. М., Атомиздат, 1960.

4. Воскресенский К.Д. Сборник расчетов и задач по теплопередаче. М., Госэнергоиздат, 1959.

5. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. М., Госэнергоиздат, 1959.

6. Идельчие И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М., Госэнергоиздат, 1960.

7. Исаченко В.П. Теплопередача. М., «Энергия», 1963, с. 439.

8. Огородников Н.Н., Довгялло А.И. Расчет спирального теплообменника для подогрева жидкого металла. Куйбышев, КуАИ, 1979.

Приложение

Рисунок 1 - схема теплообменного аппарата

Рисунок 2 - графики Q1 и Q2

Таблица 1 - Таблица значений Q1 и Q2

tc2, С	Q2, Дж	Q1, Дж
20	57704,60155	0
30	56711,06392	1827,738355
40	55717,86455	4111,207116
50	54724,95155	6556,536391
60	53732,27502	9089,562539
70	52739,78819	11676,04187
80	51747,44808	14297,71151
90	50755,21584	16944,3421
130	46786,72989	27702,99466
140	45794,59159	30432,05669
150	44802,40588	33178,72389
160	43810,15641	35944,81848
170	42817,82852	38732,4535
180	41825,40896	41543,9596
190	40832,88559	44381,83563
200	39840,24728	47248,71564
210	38847,48372	50147,34729
220	37854,58537	53080,57832
230	36861,54343	56051,34856
280	31893,92467	71577,33141
290	30899,87944	74840,01119
300	29905,65122	78163,30674
310	28911,23789	81550,89612
320	27916,63821	85006,56153
330	26921,8518	88534,19201
340	25926,8791	92137,78575
350	24931,72125	95821,45202
370	22940,85799	103446,0033
400	19953,23681	115592,6239
410	18957,02322	119849,3737
440	15977,70183	133311,8913
450	14980,08788	138047,2251
460	13982,33448	142915,2719
490	10988,27442	158370,4732
500	9989,998161	163824,6188
510	8991,597741	169439,5493
520	7993,074562	175221,1321
530	6994,429158	181175,3073
540	5995,660933	187308,0821
550	4996,767754	193625,5251
560	3997,745251	200133,7601
570	2998,585468	206838,9601
580	1999,273853	213747,3401

Размещено на Allbest.ru