Рязанское высшее воздушно-десантное командное училище

(военный институт) имени генерала армии В.Ф. Маргелова

Факультет коммуникаций и автомобильного транспорта

Методические указания и задания

для выполнения курсовой работы

по дисциплине «Теплотехника»

Рязань 2011

Курсовая работа

по дисциплине «Теплотехника»

Целью курсовой работы является закрепление знаний, полученных студентами при изучении теоретических разделов теплотехники: техническая термодинамика и основы теории теплообмена, а также приобретение практических навыков выполнения поверочных и конструктивных расчётов теплообменных аппаратов.
В результате выполнения и защиты курсовой работы студент должен усвоить сущность протекания процессов при передаче теплоты, освоить методику расчёта теплообменных устройств (аппаратов) и уметь оценивать их эффективность.
Курсовая работа состоит из разделов, включающих в себя введение, задание с исходными данными и схемой установки, теплового расчёта, гидравлического расчёта, графиков изменения температур теплоносителей при прямотоке и при противотоке, выводов по расчёту, заключения.
Пояснительная записка, таблицы, схемы и рисунки должны быть выполнены в рукописном или машинописном виде на листах формата А4 в соответствии с требованиями гост 2.105-95 «Общие требования к текстовым документам». Оформление работы должно осуществляться также в соответствии с требованиями действующих СТО на курсовое и дипломное проектирование.
Для обеспечения требуемой для практики точности в расчётах необходимо придерживаться рекомендаций, указанных в таблице 1.
Таблица 1 – Рекомендуемые точности округления в расчётах

№ п/п	Величина	Размерность	Число знаков после запятой	Пример
1	Температура	К (°С)	1	303,5 (30,5)
2	Коэффициент полезного действия		2	0,75
3	Прочие безразмерные коэффициенты		3	0,316
4	Критерии Рейнольдса, Нуссельта		0	2300
5	Скорость теплоносителя	м/с	2	1,14
6	Линейные размеры теплообменника	м	2	8,24
7	Площади поверхности	м2	4	0,0156
8	Давление	Па	0	122245

Задание:
Провести расчёт кожухотрубного теплообменника при схемах движения теплоносителей: а) прямоточной, б) противоточной и в) противоточной, когда на стенках труб имеется слой накипи.

На листах формата А4 начертить схему теплообменника с указанием его элементов, а по результатам расчёта построить в масштабе графики изменения температур горячего и холодного теплоносителей.

Исходные данные выбрать по двум последним цифрам зачётной книжки из таблиц 2 и 3 задания.

Необходимые физические параметры теплоносителей выбрать из таблицы 4 задания. При необходимости воспользоваться рекомендуемой литературой [1], [2], [3], [4].

При защите курсовой работы студент должен знать назначение теплообменных аппаратов, методики их расчётов, физический смысл определяемых величин, от каких факторов они зависят, влияние параметров теплообменного аппарата на интенсивность теплообменных процессов.

Задание для расчета. Определить требуемую общую длину трубок кожухотрубчатого теплообменного аппарата (для прямотока, противотока с новыми трубами и с трубами, покрытыми слоем накипи) (рис. 1) и суммарную мощность на прокачивание теплоносителей по его каналам N, для охлаждения горячего теплоносителя с массовым расходом G температуры t₁’ на входе в теплообменный аппарат до температуры t₁” на выходе из него. Температура холодного теплоносителя изменяется от t₂’ на входе в теплообменный аппарат до t₂’’ на выходе из него. Горячий теплоноситель движется внутри n труб с внутренним диаметром d. Трубы теплообменного аппарата выполнены из нержавеющей стали. Толщина стенки труб равна мм. Холодный теплоноситель обтекает трубы теплообменного аппарата снаружи продольно, двигаясь в межтрубном канале, образованном поверхностями труб и кожухом с внутренним диаметром D.

Рисунок 1 – Схема теплообменника

Таблица 2 – Исходные данные для расчёта теплообменного аппарата

Предпоследняя цифра номера зачётной книжки	Горячий теплоноситель	Температура теплоносителей
		t1’, °C	t1”, °C	t2’, °C	t2”, °C
0	октан	100	82	14	40
1	вода	98	76	12	32
2	ацетон	112	98	13	28
3	бензин	102	86	15	34
4	масло	150	122	16	26
5	бензин	96	75	13	30
6	масло	142	120	12	18
7	ацетон	65	50	19	24
8	октан	84	68	12	25
9	масло	150	135	16	24

Таблица 3– Исходные данные для расчёта теплообменного аппарата

Последняя цифра номера зачётной книжки	Расход горячего теплоносителя, G, кг/с	Параметры теплообменного аппарата				Тепло-проводность стенки, , Вт/м2.К	Тепло-проводность накипи, н, Вт/м2.К	Толщина слоя накипи, н, мм
		D, мм	d, мм	, мм	n
0	1,45	78	14	2,0	4	37	0,08	1,0
1	1,6	92	15	2,5	5	38	0,1	1,2
2	1,38	158	16	2,05	7	39	0,085	0,96
3	1,72	166	17	2,08	6	43	0,2	1,25
4	1,8	94	16	2,2	4	42	0,12	1,3
5	1,25	100	18	1,7	4	41	0,09	1,18
6	2,00	164	14	2,6	8	40	0,11	2,08
7	1,32	130	18	1,0	5	48	0,13	1,3
8	1,34	145	17	2,24	6	50	0,09	1,9
9	1,42	200	16	1,7	10	38	0,21	2,1

Таблица 4 – Средние физические параметры теплоносителей в заданных интервалах температур

теплоноситель				Cp, Дж/кг.К
октан	656	0,000306	0,1095	2056	0,0011
ацетон	668	0,000154	0,1165	2590	0,00234
бензин	700	0,00056	0,125	2050	0,00124
масло	880	0,0024	0,256	1880	0,00052

Замечание. Для воды параметры выбрать из учебника Нащокин В. В. «Техническая термодинамика и теплопередача». М., Высшая школа. 1975, Таблица Х1 или из учебника Луканин В.Н. «Теплотехника». М., Высшая школа. 2005, Таблица П 6.

Примерная схема расчёта
1. Исходные данные

1.1. Горячий теплоноситель –…..

1.2. Температуры теплоносителей: t₁’ =…^оС; t₁”=… ^оС,

t₂’ =…°С; t₂’’=… ^оС.

1.3. Расход горячего теплоносителя: G₁= ... кг/с.

1.4. Схема движения теплоносителей: 1 – прямоточная, 2 – противоточная, 3 – трубы покрыты слоем накипи.

1.5. Параметры теплообменного аппарата:

D=… м; d=… м; =… м; n=… шт.

1.6. Теплопроводность материала труб =… Вт/(м К)

1.7. Теплопроводность материала накипи _н =… Вт/(м К)

1.8.Толщина слоя накипи _н, м.
2. Тепловой расчет
а) Прямоточная схема движения теплоносителей
2.1. Средние удельные теплоемкости в интервалах изменений температур теплоносителей (определяем из таблицы ):

горячий теплоноситель C_pm1= …..Дж/(кг·К);

холодный теплоноситель C_pm2=…..Дж/(кг·К).

2.2. Тепловой поток

Вт.

2.3. Расход холодного теплоносителя

кг/с.

2.4. Средние температуры теплоносителей

2.5. Средний температурный напор

°С.
2.6. Определяющие температуры

влияния параметров теплообменного аппарата на интенсивность теплообменных процессов.
2.7. Теплофизические свойства теплоносителей при определяющих температурах.

Параметры	Горячий теплоноситель	Холодный теплоноситель
tf,oC
Cp, Дж/кг*К

2.8. Площади поперечного сечения каналов

Внутри труб:

В межтрубном пространстве:

2.9. Эквивалентный диаметр межтрубного пространства

2.10. Скорости движения теплоносителей

м/c;

м/c.

2.11. Числа Рейнольдса

режим течения ….

2.12. Критерий Прандтля

а) для горячего теплоносителя

Б)из таблицы XI [1, с. 485] при t_ст= …. находим Pr _ст= ….

при средней температуре стенки

находим Pr_ст=….

2.13. Определяющая температура :

Физические константы холодного теплоносителя при определяем из таблицы П6.

2.14. Числа Нуссельта

Принимая и

2.15. Коэффициенты теплоотдачи

2.16. Линейный коэффициент теплопередачи

2.17. Длина каналов

2.18. Площадь поверхности теплообменника

3. Расчет изменения температур теплоносителей при движении вдоль поверхности теплообмена (Построение графика изменения температур)

Расчет и построение графика изменения температур теплоносителей при движении вдоль поверхности теплообмена t (f):

(Показан примерный график для прямотока). Построить как для прямотоока, так и для пртивотока.

Рисунок 2 – График изменения температур при прямотоке

4. 
   Гидравлический расчет теплообменника.
   

Целью гидравлического расчёта является определение мощности, затрачиваемой на проталкивание холодного и горячего теплоносителей в теплообменнике.

Мощность насосов затрачивается на преодоление гидравлических сопротивлений в трубном и межтрубном пространстве.

Гидравлические потери напора при движении жидкости, как известно, разделяют на местные и потери на трение.

Местные потери обусловлены в данном случае местными сопротивлениями вида: «вход в трубу» и «выход из тубы» и определяются по формуле

где _вх=0,5 – коэффициент сопротивления входа в трубу;

_вых=1– коэффициент сопротивления выхода из трубы;

n – число труб;

w – скорость движения горячего теплоносителя.
Потери напора на трение определяем по формуле:

где  – коэффициент гидравлического трения;

L – длина труб, м.
Коэффициент гидравлического трения  для турбулентного режима определяем из формулы Блазиуса:


Суммарные потери напора

h=h_м + h_тр.

Тогда мощность на прокачивание горячего теплоносителя

N=G₁gh₁

Аналогично определяем мощность на прокачивание хладагента N₂. Суммарная мощность насосов:

N= N₁+ N₂

б) противоточная схема движения теплоносителей

(проводится по той же примерной схеме)
в) противоточная схема движения теплоносителей, но со стенками труб, покрытыми слоем накипи

(проводится по той же примерной схеме)

5. Сравнительный анализ полученных результатов расчёта трёх условий работы теплообменного аппарата.

6. Выводы по расчету.

7. Заключение.
Рекомендуемая литература:

1. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.,Высшая школа. 1975, с.496 (с.447-454).

2. Костерев Ф. М. Теоретические основы теплотехники. М., Энергия. 1978, 360 с. (328-338).

3. Матвеев Г. А. Теплотехника.М., Высшая школа.1981.с.480 (210-227).

4. Луканин В. Н. Теплотехника.М., Высшая школа.2005.с.671 (586-606).

Преподаватель Чернышов В.В.

1.Исходные данные.

1.1.Горячий теплоноситель – ацетон.

1.2.Температуры теплоносителей: t₁’ =160 ^оС; t₁”=100 ^оС

t₂’ =20^оС; t₂’’=80 ^оС

1.3.Расход горячего теплоносителя: М₁=1,5 кг/с

1.4.Схема движения теплоносителей – прямоточная.

1.5.Параметры теплообменного аппарата:

D=0.06м; d=0,014м; =0.001 м; n=4 шт

1.6.Теплопроводность материала труб =18Вт/(м²К)
2.Тепловой расчет.

2.1.Средние удельные теплоемкости в интервалах изменений температур теплоносителей:

ацетон C_pm1=2650Дж/(кгК)

вода C_pm2=4175Дж/(кгК)

2.2.Тепловой поток

2.3.Расход холодного теплоносителя (воды)

2.4.Средний температурный напор (противоток)

2.5.Определяющие температуры

2.6. Теплофизические свойства теплоносителей при определяющих температурах.

	ацетон	вода
tf,oC	111.668	50
	669	987.7
Cp, Дж/кг*К	2590	4175
	0,1165	0.647
	0,000153	0.00056135
	0,00234	0.000449

2.7. Площади поперечного сечения каналов

Внутри труб:

В межтрубном пространстве:

2.8. Эквивалентный диаметр межтрубного пространства

2.9. Скорости движения теплоносителей

м/c

м/c

2.10.Числа Рейнольдса

режим течения турбулентный

2.11. Число Реллея для ацетона

Задаемся температурой стенки в первом приближении

Определяющая температура :

Физические константы ацетона при

	Ацетон
	125
	655
	2830
	0,104
	0,000119
	0,00304

2.12 Числа Нуссельта

В первом приближении принимаем (при

Физические константы теплоносителей при

	бензол	вода
	90	90
	2475	4207
	0,125	0,6785
	0,0001765	0,00031881

2.13 Коэффициенты теплоотдачи

2.14 Линейный коэффициент теплопередачи

2.15 Длина каналов

2.16 Площадь поверхности теплообменника

3. Расчет изменения температур теплоносителей при движении вдоль поверхности теплообмена

Расчет и построение графика изменения температур теплоносителей при движении вдоль поверхности теплообмена t (f):

Fn/F	dt1/(Fn)	t1 (Fn) oC	dt2/(Fn)	t2 (Fn) oC
0	0	160,00	0	20
0.1	12.759	147,24	-12.759	32,759
0.2	22.602	137,40	-22.602	42,602
0.3	30.196	129,80	-30.196	50,196
0.4	36.054	123,95	-36.054	56,054
0.5	40.573	119,43	-40.573	60,573
0.6	44.06	115,94	-44.06	64,06
0.7	46.75	113,25	-46.75	66,75
0.8	48.825	111,18	-48.825	68,825
0.9	50.426	109,57	-50.426	70,26
1.0	51.661	108,34	-51.661	71,661

4. 
   Гидравлический расчет теплообменника.
   
   0. 
      Коэффициенты гидравлического трения
      

4.2Перепад давления в каналах

4.3.Мощности на прокачивание теплоносителей по каналам.

4.4.Суммарная мощность на прокачивание теплоносителей по каналам

5.Коэффициент поверхности теплообмена

E=Q/N=4.887

6.Число элементов теплообменного аппарата.

n_э>L/1=51,5

выбираем n_э=52 шт