 |
Задание 2.1 - исследование процессов теплообмена
|
|
|
|
Структура процессов теплообмена как сложной системы. Виды процессов теплообмена и их математическое описание. Статические и динамические модели теплообменных аппаратов. Влияние гидродинамики потоков на структуру математической модели. Исследование процесса теплообмена с использованием математических моделей, разработанных в среде MathCad.
Приведите уравнения теплового баланса для кожухотрубчатого прямоточного теплообменного аппарата и результаты исследования в соответствии с заданием. Сделайте вывод на основании полученных результатов.
В теплообменнике типа «труба в трубе» охлаждается жидкость. Одна из жидкостей движется в теплообменнике внутри прямой трубы, которая омывается другой жидкостью. Хладоагент и охлаждаемая жидкость движутся прямотоком. Определить температуру теплоносителей на выходе из аппарата. При моделировании принята модель идеального вытеснения. Построить температурные профили по длине аппарата.
Процесс теплообмена происходит в прямоточном кожухотрубчатом теплообменнике, схема потоков приведена на рисунке 2.1. В теплообменнике реализуется режим «вытеснение-вытеснение».
При моделировании приняты следующие допущения:
1. Стационарный режим.
2. Происходит только теплопередача.
3. Коэффициент теплопередачи = const.
4. Равномерное распределение вдоль участка
5. Потери тепла в окружающую среду не учитываются.
6. Количество внутренних труб может варьироваться.
D, d – диаметр наружной и внутренней трубы
T1, T2 –температура горячего и холодного теплоносителей;
Рисунок 2.1-схема теплообменника «труба в трубе»
Поэтому математическое описание в статическом режиме имеет вид:
|
|
|
где К – коэффициент теплопередачи, характеризующий интенсивность источников тепла в потоке, Вт/(м2∙К);
G 1, G 2 – объемный расход потока, м3/с;
- плотность, кг/м3;
Cp – удельная теплоемкость при постоянном давлении, кДж/(кг∙К).
При моделировании использовать справочную информацию, приведенную в таблицах 2.1 и 2.2.
Разработать ММ, используя условные обозначения, приведенные ниже.
| : Конструктивные характеристики теплообменника | Технологические характеристики теплообменника |
| Длина L, м | Расход горячего теплоносителя G 1, м3/с |
| Диаметр внешней трубы, D, м | Расход холодного теплоносителя G2, м3/с |
| Диаметр внутренних труб, d, м | Нач. температура первого теплоносителя T1, град С |
| Количество труб, n | Нач. температура второго теплоносителя, T2, град С |
| Физико-химические константы |
| Коэффициент теплопередачи, Кт, Вт/(м2 град) |
| Плотность теплоносителей, ρ1, ρ2 , кг/м3 |
| Теплоемкости теплоносителей, Cp1, Cp2 Дж/(кг*град) |
1.Дать характеристику теплообменнику как объекту моделирования.
2.Написать систему уравнений для расчета распределения температуры потоков по длине аппарата.
3.Представить блок – схему решения задачи.
4.Разработать программу расчета в среде MathCad и провести исследование влияния конструктивных и технологических характеристик на выходные переменные:
· изменить расход горячего теплоносителя на 20%;
· изменить количество внутренних труб на 50 %
Плотность жидкостей ρ(t), кг/м 3 в диапазоне температур 10 ÷ 90 о С может быть вычислена по формуле:
Таблица 2.1- плотности теплоносителей,, кг/м3
| Название | ρ0 | A1 | A2 |
| Ацетон | 813 | 1,03 | 0,00164 |
| Бензол | 900 | 1,02 | 0,000536 |
| Вода | 1000 | 0,062 | 0,00355 |
| 1,2 дихлорэтан | 1282 | 1,44 | 0,000506 |
| Изопропиловый спирт | 801 | 0,796 | 0,000357 |
| Метиловый спирт | 810 | 0,826 | 0,00125 |
| Пропиловый спирт | 819 | 0,718 | 0,00149 |
| Сероуглерод | 1292 | 1,32 | 0,00354 |
| Толуол | 884 | 0,884 | 0,00080 |
| Уксусная кислота | 1070 | 0,957 | 0,00208 |
| Хлороформ | 1524 | 1,65 | 0,00310 |
| Четыреххлористый углерод | 1633 | 1,90 | 0,00101 |
| Этанол | 808 | 0,932 | 0,00101 |
Теплоемкость c (t) и жидкостей (кроме воды) в диапазоне температур 15 ÷ 90 оС может быть определена по формуле:
|
|
|
где c – удельная теплоемкость, Дж/кг/К; t – температура, оС; с0, A1, λ0, A2 – коэффициенты, приведенные в таблиц 2.2.
Таблица 2.2- теплоемкости теплоносителей, Дж/(кг*град)
| Название | c0 | A1 |
| Ацетон | 2,11 | 0,0028 |
| Бензол | 1,65 | 0,0032 |
| 1,2 дихлорэтан | 1,22 | 0,0019 |
| Изопропиловый спирт | 2,41 | 0,0140 |
| Метиловый спирт | 2,41 | 0,0026 |
| Пропиловый спирт | 2,24 | 0,0097 |
| Сероуглерод | 1,01 | 0 |
| Толуол | 1,62 | 0,0035 |
| Уксусная кислота | 1,97 | 0,0036 |
| Хлороформ | 0,92 | 0,0016 |
| Четыреххлористый углерод | 0,85 | 0,00037 |
| Этанол | 1,92 | 0,018 |
Теплоемкость воды определяется по формуле:
Варианты заданий приведены в таблице 2.3
Таблица2.3 - Варианты заданий
| № вар | Теплоносители | Начальная температура, оС T 1 и T 2 | Объемная скорость потока, м3/с G1, G2 | Коэфф-т теплопередачи, Вт/(м2∙К) K | Кол-во внутр. труб, n | Диаметр труб d, м | Длина аппарата, м L |
| 1 | толуол вода | 90 25 | от 0.0005 до 0.001 0.0003 | 400 | 20 | 0.01 | 3 |
| 2 | этанол вода | 88 20 | 0.0008 0.0003 | 360 | от 10 до 50 | 0.01 | 5 |
| 3 | уксусная кислота вода | 84 10 | от 0.006 до 0.02 0.003 | 450 | 1 | 0.5 | 5 |
| 4 | этанол вода | 85 20 | 0.0006 0.0003 | 360 | от 5 до 30 | 0.02 | 4 |
| 5 | пропиловый спирт вода | 80 25 | 0.001 0.002 | От 300 до 500 | 25 | 0.02 | 5 |
| 6 | ацетон вода | от 50 до 80 10 | 0.001 0.002 | 300 | 10 | 0.01 | 5 |
| 7 | уксусная кислота вода | 90 от 10 до 30 | 0.002 0.003 | 400 | 10 | 0.01 | 3 |
| 8 | изопропиловый спирт вода | 80 от 10 до 30 | 0.0025 0.003 | 400 | 10 | 0.01 | 2 |
| 9 | ацетон вода | 75 15 | 0.0002 от 0.0002 до 0.001 | 300 | 10 | 4 | |
| 10 | бензол вода | 85 от10 до 40 | 0.0005 0.0003 | 300 | 20 | 0.02 | 2 |
| 11 | уксусная кислота вода | 75 от10 до 40 | 0.0007 0.0003 | 420 | 20 | 0.01 | 4 |
| 12 | четыреххлористый углерод вода | 80 от10 до 40 | 0.0006 0.0003 | 400 | 20 | 0.01 | 2 |
| 13 | бензол вода | 70 25 | 0.001 0.002 | От 200 до 500 | 25 | 0.01 | 3 |
| 14 | толуол вода | 60 от10 до 40 | 0.001 0.002 | 400 | 20 | 0.02 | 4 |
| 15 | ацетон вода | 90 25 | от 0.0005 до 0.001 0.0003 | 400 | 10 | 0.01 | 3 |
| 16 | ацетон вода | 80 20 | 0.0005 0.0003 | 360 | от 5 до 20 | 0.01 | 3 |
| Продолжение таблицы 2.3 | |||||||
| № вар | Теплоно-сители | Начальная температура, оС T 1 и T 2 | Объемная скорость потока, м3/с G1, G2 | Коэфф-т теплопередачи, Вт/(м2∙К) K | Кол-во внутр. труб, n | Диаметртрубd, м | Длина аппарата, м L |
| 17 | этанол вода | 70 25 | 0.002 0.002 | 430 | от 5 до 20 | 0.02 | 4 |
| 18 | толуол вода | 75 20 | 0.005 0.002 | 300 | От5 до 20 | 0.05 | 5 |
| 19 | этанол вода | 80 25 | 0.002 от 0.002 до 0.01 | 400 | 10 | 0.02 | 3 |
| 20 | бензол вода | 90 25 | От 0.002 до 0.01 0.002 | 300 | от 2 до 10 | 0.05 | 2 |
| 21 | четыреххлористый углерод вода | 90 20 | 0.005 0.002 | 300 | от 2 до 10 | 0.05 | 2 |
| 22 | изопропиловый спирт вода | 85 20 | 0.008 0.002 | 400 | от 2 до 10 | 0.02 | 2 |
| 23 | толуол вода | От60 до 90 20 | 0.005 0.002 | 400 | 20 | 0.05 | 4 |
| 24 | уксусная кислота вода | 85 20 | 0.005 0.002 | 380 | от 2 до 10 | 0.02 | 2 |
| 25 | бензол вода | от 70 до90 20 | 0.002 0.002 | 300 | 12 | 0.01 | 2 |
|
|
|
|
|
|
