Тепловой и гидравлический расчеты рекуперативного теплообменного аппарата

39.46

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«СЕВАСТОПОЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт кораблестроения и морского транспорта

К.Ю. Федоровский

 ТЕПЛОВОЙ И ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТЫ
РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА
Рекомендовано

Учебно-методическим советом института

в качестве методических указаний

для студентов очной и заочной форм обучения

специальности

26.05.06 – Эксплуатация судовых энергетических установок

Севастополь 2015

УДК 62-713.1:621.436

ББК 39.46

Рецензент: Лисняк Ю.А., кандидат технических наук, доцент кафедры
ЭМСС.

Тепловой и гидравлический расчеты рекуперативного теплообменного аппарата: методические указания к выполнению курсовой работы по
дисциплине «Теплопередача». Сост. К.Ю. Федоровский,– Севастополь: СевНТУ, 2015. – 37 с.

Приводится методика теплового и гидравлического расчета судового
кожухотрубного теплообменного аппарата, представлены необходимые
справочные материалы и пример выполнения расчетов

Пособие предназначено для студентов очной и заочной форм обучения Севастопольского государственного университета, института кораблестроения и морского транспорта, специальности 26.05.06 – Эксплуатация судовых энергетических
установок.

© Федоровский К.Ю., 2015

© Издание ФГАОУВО «СевГУ», 2015

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Основные обозначения…………………………………………………….
4

Введение.......................................................................................................
6

1. Задача расчета ТОА……………... .........................................................
7

2. Особенности конструкции кожухотрубного

ТОА……….....................

8

3. Основные положения теплового и гидравлического

    расчетов ТОА...........................................................................................
11

4. Методика теплового и гидравлического расчетов

    кожухотрубного

ТОА…............................................................................

15

Библиографический список ……………………….……………………...
25

Приложение А………………………………………….……………..........
26

Приложение Б………………………………………….…………….......... 29

Приложение В………………………………………….……………..........
30

Приложение Г………………………………………….…………….......... 30

Приложение Д………………………………………….……………..........
31

Приложение Е………………………………………….…………….......... 32

Приложение Ж...……………………………………….……………..........
32

Приложение З………………………………………….…………….......... 33

Приложение И………………………………………….……………..........
33

Приложение К………………………………………….……………..........
34

Приложение Л………………………………………….……………..........
35

Приложение

М………………………………………….……………..........

37

ОСНОВНЫЕ  ОБОЗНАЧЕНИЯ

a
– 
порядковый номер шестиугольника компоновки трубного
пучка;

K
– 
коэффициент теплопередачи, Вт/(м2.К);

t
– температура, оС;

l
– коэффициент теплопроводности, Вт/(м.К);

n
– 
коэффициент кинематической вязкости, м2/с;

r
– плотность, кг/м3;

p
C
– 
изобарная теплоемкость, Дж/(кг.К);

Q
– тепловой поток, Вт;

G
– 
массовый расход, кг/с;

t
D
– температурный напор, оС;

F
– площадь теплообменной поверхности, м2;

w
– скорость, м/с;

n
– количество труб в трубном пучке, шт;

d
– толщина, м;

a
– 
коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2.К);

d
– диаметр, м;

R
– 
термическое сопротивление, (м2.К)/Вт;

S
– шаг труб в трубном пучке, м;

ТП
D
– наружный диаметр трубного пучка, м;

L
– длина труб, м;

z
– 
число ходов теплоносителя;

b
– 
шаг установки диафрагм, м;

h
– 
высота проходного сечения в диафрагме, м;

f
– 
площадь проходного сечения, м2;

P
D
– 
гидравлическое сопротивление, Па;

z
– 
коэффициент местного сопротивления;

x
– 
коэффициент сопротивления по длине трубопровода

Ч и с л а   п о д о б и я

n

w d
Re
×
=
  –  число Рейнольдса;

Pr      –  число Прандтля;

l

a d
Nu
×
=
  –  число Нуссельта.

И н д е к с ы

1
– 
относится к внутритрубной полости;

2
– 
относится к межтрубной полости;

С
– 
стенка;

П
– 
патрубок;

ТП
– 
трубный пучок;

ТД
– 
трубная доска;

ТР
– 
труба;

ПОВ
– 
поворот;

/
– 
вход;

//
– 
выход;

– 
(черта над буквой) – знак осреднения.

В В Е Д Е Н И Е

Кожухотрубные теплообменные аппараты (ТОА) широко распространены в промышленности. Приведенная здесь методика расчета такого ТОА несколько упрощена. Рассматривается «идеальный» теплообменник, в котором,
например, пренебрегают протечками через зазоры внутри полости аппарата,
наружное обтекание трубного пучка считается строго поперечным и т.д. При
необходимости проведения более точных расчетов, они могут быть выполнены с использованием литературных источников, указанных в конце
пособия. При этом процедура расчета многократно усложняется и требует
применения современных ЭВМ.
Основные положения расчета рекуперативных ТОА других типов аналогичны рассмотренным в данном пособии и отличаются лишь деталями, учитывающими особенности конструкций.
Прежде чем приступить непосредственно к расчетам, студенту необходимо внимательно ознакомиться с особенностью конструкции ТОА и основными положениями расчета, изложенными в разделах 2 и 3.
Пояснительная записка в курсовой работе должна содержать:
1. Титульный лист.
2. Задачу расчета и исходные данные (в табличной форме).
3. Таблицы теплового и гидравлического расчетов.
4. Начерченную в масштабе (в соответствии с существующей номенклатурой масштабов) на листе формата А3 схему ТОА с указанием его
размеров.

1. ЗАДАЧА РАСЧЕТА ТОА

Необходимо определить основные размеры, площадь теплопередающей
поверхности и гидравлическое сопротивление при прокачивании теплоносителей кожухотрубного ТОА, если известны *):

№
п/п
П а р а м е т р
Обозначения

Единицы
измерения

Численное

значение

1. 
Температура теплоносителя на входе
в внутритрубную полость

1t¢
оС
18

2. 
Температура теплоносителя на выходе
из внутритрубной полости

1t ¢¢
оС
21

3. 
Температура теплоносителя на входе
в межтрубную полость

2t¢
оС
81

4. 
Температура теплоносителя на выходе
из межтрубной полости

2t ¢¢
оС
75

5. 
Массовый расход теплоносителя
межтрубной полости

2
G
кг/с
15,6

6. 
Вид теплоносителя внутритрубной
полости
МВ

7. 
Вид теплоносителя межтрубной полости
трансф.
масло

8. 
Материал труб трубного пучка
Ti

9.
Внутренний и наружный диаметры труб
трубного пучка

1d

2
d

мм

мм

10

12

10.
Схема тока теплоносителей
№ 2

*) Численные значения исходных данных выбираются по таблице,
представленной в конце данных методических указаний. Приведенные в
таблице численные значения используются в дальнейшем в качестве примера расчета ТОА.
В рассматриваемом теплообменнике трубный пучок имеет шахматную
компоновку с размещением труб по схеме правильных треугольников.

2. ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ
КОЖУХОТРУБНОГО ТОА

Схема кожухотрубного ТОА показана на рис. 2.1. В дальнейшем,
теплоноситель, движущийся во внутритрубной полости, будем обозначать цифрой 1, а теплоноситель межтрубной полости – цифрой 2. Теплоноситель 1, пройдя входной патрубок, поступает через отверстия в
трубной доске 2 в теплопередающие трубы 1, образующие в своей совокупности трубный пучок. В зависимости от числа ходов (на рис. 2.1
имеем Z1 = 2) теплоноситель 1 разворачивается и движется по трубам 1
в другом направлении. Теплоноситель 2, поступая в корпус 3 аппарата,
обтекает трубный пучок с наружной стороны. Для организации движения этого потока, увеличения его скорости в межтрубной полости установлены диафрагмы (перегородки) 5. Диафрагмы имеют сегментный
вырез для прохождения теплоносителя.
Могут быть использованы коридорная и шахматная компоновки
трубных пучков. Наиболее часто используется последняя компоновка с
размещением труб по схеме правильных треугольников, что обеспечивает шахматный равнопроходный пучок (рис. 2.2), в котором трубы
располагаются по сторонам шестиугольников. Данная схема размещения труб в трубном пучке используется в ТОА, расчет которого предлагается выполнить. Общее максимально возможное количество труб в
пучке определяется по зависимости:

(
)
[
]1
1
3
+
+
×
=
*
a
a
n
b
 .

В случае, когда порядковый номер шестиугольника а £ 6 значение
b = 1. При а > 6, поскольку появляется возможность размещения дополнительного количества труб в сегментах (между шестигранным пучком и  внутренней поверхностью корпуса), b = 1,1...1,16.

Рисунок 2.1 – Схема кожухотрубный ТОА:

1 – трубки; 2 – трубная доска; 3 – корпус; 4 – крышка; 5 – диафрагма (перегородка); 6 – патрубок