Тепловой конструктивный расчёт вертикального кожухотрубчатого холодильника для охлаждения дисперсных материалов

Федеральное агентство  по образованию Российской Федерации

 

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

Кафедра теплоэнергетики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

«Тепловой конструктивный расчёт вертикального кожухотрубчатого холодильника для охлаждения дисперсных материалов»

вариант № 23

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнила:

студентка  группы ТЭ-07-1

Веселкова А. В.

Проверил:

доцент Домрачев Б.П.

 

 

 

 

 

 

Иркутск 2009

Задание на курсовую работу

 

Условие:

Слой нагретого дисперсного  материала с постоянной начальной  температурой t₀ охлаждается в вертикальном 3^х секционном трубчатом теплообменном аппарате.

В 1^й, верхней, секции материал охлаждается через стенку труб воздухом с расходом V, движущимся со скоростью w в межтрубном пространстве в поперечном направлении, совершая при этом m ходов.

Во 2^й секции материал с температурой на входе охлаждается через стенку кипящей водой при температуре t_н, т.е. происходит испарительное охлаждение материала. При расчёте температуру стенки считать равной температуре насыщения, .

В 3^ю секцию материал поступает при средней температуре . Здесь происходит доохлаждение материала до температуры через стенку водой, поступающей в нижнюю часть третьей секции с расходом D и температурой .

Задание:

В 1^й секции рассчитать температуру материала на выходе , площадь поверхности теплообмена F₁, длину труб l₁, их количество N и число рядов Z, а также скорость движения материала в трубах w₁.

Во 2^й секции рассчитать площадь поверхности теплообмена F₂, длину труб l₂ (при этом количество и компоновка труб остаются теми же, что и в 1^й секции) и количество получаемого сухого насыщенного пара D_п.

В 3^й секции рассчитать температуру воды на выходе , площадь поверхности теплообмена F₃ и длину труб l₃.

При расчёте  принять теплопотери с наружной поверхности холодильника в 1^й секции – 5%, во 2^й секции – 3%, в третьей, нижней, секции теплопотерями пренебречь.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вертикальный  кожухотрубчатый холодильник для  охлаждения дисперсных материалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вариант	Параметры пучка труб							Охлаждаемый материал				Нагреваемая среда								ДЗ
												1с. Воздух				2с. tн, 0С	3с. вода
	Пучок	n	d1, мм	d2, мм	S1, мм	S2, мм	m	М-л	G·103, кг/ч	t0, 0C	t,,1(2)0C	V·103, м3/ч	w, м/с	t,2(1), 0C	t,,2(1), 0C		D·103, кг/ч	t,2, 0C	m
23	К	10	80	89	130	120	3	Кокс	11	1050	250	13	10	0	600	205	11	10	4	3

 Исходные  данные для расчёта:

 

Физические  характеристики охлаждаемого материала:

нефтяной прокалённый кокс

 

теплопроводность: λ=0,4+1,2·10^-3·t (Вт/(м·К))

теплоёмкость: с=800+0,9·T (Дж/(кг·К))

плотность: ρ=900 (кг/м³)

 

Дополнительное  задание №3

Исследовать влияние  средней безразмерной избыточной температуры  материала на выходе из 2-й секции Ө_б на длину труб, изменяя Ө_б от 0,02 до 0,2 с шагом в 0,02. Построить график зависимости l=f(Ө_б) и проанализировать её. 

Введение

В настоящее время  в ряде отраслей промышленности охлаждение после термообработки дисперсных сыпучих  материалов, таких как кокс, глинозём, клинкер для производства цемента, производится в барабанных вращающихся холодильниках, орошаемых снаружи водой. При этом физическая теплота нагретых материалов теряется.

Применение неподвижных вертикальных кожухотрубчатых холодильников, охлаждаемых  жидкими или газообразными теплоносителями, проходящими в межтрубном пространстве, является перспективным направлением утилизации этой теплоты.

Скорость движения плотного слоя мелкодисперсных материалов в  вертикальных трубах под действием  гравитационных сил при низкой теплопроводности материалов, мала, движение обычно нестеснённое, что исключает перемешивание материала в поперечном сечении. Такое движение является безградиентным, т.е. стержнеподобным. При этом плотный движущийся, как и неподвижный, слой рассматриваются как сплошная среда с эффективными характеристиками. Интенсивность теплообмена при стержнеподобном движении плотного слоя определяется эффективной теплопроводностью неподвижного слоя λ_эфф, которая для ряда материалов определена экспериментально. Это даёт основание производить расчёт охлаждения (нагрева) такого слоя в среде с постоянной температурой по формулам нестационарной теплопроводности бесконечного цилиндра при граничных условиях 3^го рода.

При изменении температуры  внешней среды (холодного теплоносителя) вдоль поверхности теплообмена тепловой расчёт можно выполнять по формулам теплопередачи. При этом, как показали исследования, коэффициент теплоотдачи на границе слой-стенка трубы α₁ при безградиентном течении прямо пропорционален эффективной теплопроводности материала λ_эфф.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчёты секций холодильника

 

Расчёт 1^й секции:

1. Запишем уравнение теплового баланса в общем виде:

2. Находим теплоту, воспринимаемую холодильником:

3. Находим теплоту, отдаваемую горячим носителем:

4. Находим теплоту материала на выходе:

5. Рассчитываем коэффициент теплопередачи:

 

6. Рассчитываем температурный напор:

 

 

7. Определяем площадь поверхности теплообмена:

 

8. Выполняем конструктивный расчёт:

 

Расчёт 2^й секции:

В данной секции горячий  теплоноситель – кокс; вторичный – кипящая вода.

1. Определяем среднюю температуру кокса:

2. При данной температуре определим параметры кокса:

3. Затем определяем среднюю безразмерную избыточную температуру материала на выходе из трубы:

4. Определяем время пребывания материала в трубе:

5. Определяем длину трубы:

6. Определяем площадь поверхности теплообмена пучка труб:

7. Определяем теплоту, отдаваемую материалом при охлаждении:

8. Определяем количество сухого насыщенного пара:

 

Расчёт 3^й секции:

1. Определяем среднюю температуру кокса и его параметры при этой температуре:

2. Находим теплоту, отдаваемую горячим теплоносителем:

3. Определяем температуру воды на выходе:

4. Определяем температурный напор:

5. Определяем коэффициент теплопередачи:

6. Находим площадь поверхности теплообмена длину труб:

 

 

Таблица расчётных  данных

№ сек
1	2932.267	3089.75	102.71	58.899	37.43	457.516	180.425	5.544	120
2	865.6	892.37	-	-	-	-	96.46	3.2	120
3	667.16	667.16	47.414	-	45.99	125.54	149.92	4.97	120

 

 

 

 

 

 

 

Дополнительное  задание №3

Исследовать влияние  средней безразмерной избыточной температуры  материала на выходе из 2^й секции на длину труб, изменяя от 0,02 до 0,2 с шагом в 0,02. Построить график зависимости и проанализировать её.

 

 

Построим график зависимости l=f(Ө_б):

Өб	0,02	0,04	0,06	0,08	0,1	0,12	0,14	0,16	0,18	0,2
l2, м	8.18	6.58	5.65	4.98	4.46	4.04	3.68	3.38	3.11	2.87

 

график 1

 

Из расчётов и построенного графика можно сделать вывод, что при увеличении средней безразмерной избыточной температуры Ө_б время пребывания материала в трубе и длина труб уменьшается. Поэтому для уменьшения длины труб  и времени пребывания материала в трубе и, как следствие, достижения наибольшей компактности и экономичности вертикального кожухотрубчатого холодильника следует увеличивать среднюю безразмерную избыточную температуру.