Визначення поверхні теплообміну

Міністерство освіти і науки України

Сумський державний університет

Кафедра технічної теплофізики

Курсова робота

з дисципліни "Тепломасообмін"

Суми 200 9

Зміст

1. Термодинамічний розрахунок

2. Визначення теплофізичних властивостей теплоносіїв

3. Попередня компонування теплообмінної системи

4. Гідродинамічний розрахунок

5. Розрахунок теплопередачі після оребрення

Список літератури

1. Термодинамічний розрахунок

Постановка завдання:

При проектуванні теплообмінного апарату, метою розрахунку якого є визначення поверхні теплообміну, повинні бути відомі витрата гарячого та холодного теплоносіїв, їх температури на вході і на виході і теплоємності. Прийнято позначати параметри гарячого теплоносія індексом-1 і холодного теплоносія індексом-2.

Вихідні дані:

1. Температура вихлопних газів t _г = 440 ° C.

2. Витрата вихлопних газів m ₁ = 90 кг / с.

3. Параметри води на вході в економайзер:

-Температура води на вході в економайзер t ₂ '= 105 ° C;

-Тиск води на вході в економайзер p ₁ = 2 бар.

4. Параметри вихлопних газів після пароперегрівача:

-Температура вихлопних газів після пароперегрівача

t _п = t _г -50 ° C

5. Температура вихлопних газів на вході в економайзер

t ₁ '= t _2''+ Δ t _р, де Δ t _р = 15 ... 20 ° C.

Вимоги щодо опору:

Газодинамічне опір не повинно перевищувати Δ p ₁ ≤ 2кПа (2% від номіналу).

Гідродинамічні показники не обмежені, але швидкість води в трубах не повинна перевищувати 2-3 м / с.

Вихлопні гази газотурбінної установки містять 75% повітря, тому їх властивості можна вважати за властивостями повітря.

Газова постійна R = 292 .

t _2''= 208 ° C при p ₂ = 18 бар (з таблиці для води і сухого насиченої пари).

t ₁ '= t _2''+ (15 ... 20 ° C) = 20 8 +20 = 2 2 8 ° C

t _п = t _г -50 ° C = 500-50 = 450 ° C

Рисунок 1 - Принципова схема ПТУ

Рисунок 2 - Схема процесу в T, s-координатах

Термодинамічна модель

Якщо теплота гарячого теплоносія повністю сприймається холодним теплоносієм, то рівняння теплового балансу

, (2.1)

, (2.2)

де - Тепловий потік.

Середня теплоємність в інтервалі температур від 0 до t визначається наступним емпіричним рівнянням:

C _pm = 1, 0235 + . (2.3)

Рівняння теплопередачі:

, (2.4)

де - Коефіцієнт теплопередачі;

- Площа поверхні стінки;

- Середній температурний напір.

Середній температурний напір:

, (2.5)

де ,

Тепловий потік від вихлопних газів:

(2.6)

де h _Г - ентальпія вихлопних газів.

Розрахункова частина

Визначаємо тепловий потік:

,

Знайдемо витрата води з енергобалансу:

.

де ентальпія h _п = 3360 визначається за h, S - діаграмі для водяної пари при p ₂ = 18 бар і t _п = 450 ° C, = 869,5 - За таблицями для води при p ₂ = 18 бар.

,

10,78 кг / с.

Тепловий потік в економайзері:

,

МВт.

Визначаємо температуру вихлопних газів на виході з економайзера:

,

,

,

174,11 ˚ С.

Середній температурний напір

44,63 ˚ С

Таблиця 1.1. Результати розрахунку.

2 Визначення теплофізичних властивостей теплоносіїв

Щільність вихлопних газів на вході визначаємо з рівняння стану газу

,

де R = 292 - Газова постійна,

= 1 бар-тиск вихлопних газів на вході,

= 228 +273,15 = 501,15 К-температура вихлопних газів на вході в економайзер.

.

Щільність вихлопних газів на виході визначаємо з рівняння стану газу

,

де R = 292 - Газова постійна,

= 0,98 бар-тиск вихлопних газів на виході,

= 174,11 +273,15 = 447,26 К - температура вихлопних газів на виході з економайзера.

.

Середня щільність вихлопних газів

.

Середня температура вихлопних газів

˚ С.

Теплофізичні властивості повітря визначаємо за табличними даними з табл. 2, с. 284 [2] за ˚ С:

Таблиця 2.1. Теплофізичні властивості повітря.

Теплофізичні властивості води визначаємо за табличними даними з табл. 3, с. 286 [2]:

при = 90 ˚ С щільність води на вході ,

при = 208 ˚ С щільність води на виході .

Середня щільність води

.

Середня температура води

˚ С.

Теплофізичні властивості води визначаємо за табличними даними з табл. 3, с. 284 [2] за ˚ С:

Таблиця 2.2. Теплофізичні властивості води.

Таблиця 2.3. Результати розрахунку.

3 Попередня компонування теплообмінної системи

Алгоритм розрахунку

Метою ескізної компонування теплообмінника є визначення попередніх розмірів теплообмінних апаратів. Приймаються перехресно-противоточную схему. Вона передбачає такий розподіл температури по площі теплообмінника:

Малюнок 3.1Распределеніе температури за площею теплообмінника

Зміна середньої температури обчислюється за формулою

, (3.1)

де змінюється в інтервалі 0,95 ... 1,0; - Температурний напір (з 1 розділу).

Основне рівняння теплопередачі

, (3.2)

де - Коефіцієнт теплопередачі;

- Площа поверхні стінки.

Звідси можемо визначити площу теплообміну:

, (3.3)

Коефіцієнт теплопередачі знайдемо, виходячи з формули:

(3.4)

З таблиці 3.4 стор.6 [1] приймаємо коефіцієнт тепловіддачі від повітря до стінки , А коефіцієнт тепловіддачі від води до повітря .

Діаметри труб вибираємо зі стандартного ряду, наведеного нижче:

24 1, 32 4, 32 5, 38 2,5, 22 2.

Найбільш вигідно застосовувати труби з діаметрами 32 4, 38 2,5, 22 2.

Для Ст20 коефіцієнт теплопровідності .

У першому наближенні приймаємо шахове розташування пучків труб:

Малюнок 3.2 Шахове розташування пучка труб

Ставлення поздовжнього кроку до зовнішнього діаметру позначимо через а, а відношення поперечного кроку до зовнішнього діаметру позначимо через ст.

Таким чином

, . (3.5)

При цьому а знаходиться в інтервалі 1,5 ... 2,5. .

Малюнок 3.3 Ескізна компонування економайзера

Рівняння балансу

, (3.6)

де - Кількість труб в одному ряді,

-Среднерасходная швидкість води в трубах на вході.

Рекомендується брати = 0,1 ... 0,25 м / с (таблиця 3.1 [1]).

Звідси . (3.7)

Среднерасходная швидкість води на виході

. (3.8)

Загальна площа газопроводу

, (3.9)

де L - довжина, яка задається з інтервалу 4 ... 6 м; B-ширина, рівна 1,5 ... 4 м.

Швидкість газу в межтрубном просторі

- На вході (3.10)

- На виході (3.11)

Площа теплообміну

, (3.12)

де -Число рядів труб.

(3.13)

, .

Висота теплообмінника

(3.14)

Розрахункова частина

Зміна середньої температури

приймаємо = 1, ˚ С.

Тепловий потік . Звідси площа теплообміну .

Коефіцієнт теплопередачі

.

З таблиці 3.4 стор.6 [1] приймаємо коефіцієнт тепловіддачі від повітря до стінки , А коефіцієнт тепловіддачі від води до повітря .

Діаметри труб вибираємо 38 2,5.

Для Ст20 коефіцієнт теплопровідності .

.

4.3. , . Приймаються а = 2.

Приймаються .

Число труб в одному ряді

Число труб в двох рядах .

Среднерасходная швидкість води на виході

Задаємося завдовжки і шириною L = 6м; B = 4м.

Загальна площа газопроводу

Швидкість газу в межтрубном просторі

Число рядів труб

Висота теплообмінника

Таблиця 3.1. Результати розрахунків.

4. Гідродинамічний розрахунок

Алгоритм розрахунку

Метою гідродинамічного розрахунку є визначення втрати тиску гарячого і холодного теплоносія при проходженні через апарат. Гідродинамічний опір елементів теплообмінного апарата визначається умовами руху теплоносіїв та особливостями конструкції апарату.

Визначимо опір по потоку вихлопного газу:

, (4.1)

де поперечні втрати тиску ,

місцеві втрати тиску

,

середня швидкість вихлопних газів

, (4.2)

згідно з таблицею Д.1.6 стор.17 [1] значення коефіцієнтів:

Необхідно визначити число Рейнольдса:

. (4.3)

Еквівалентний діаметр міжтрубного простору:

, (4.4)

де -Периметр змочування.

Гідродинамічний опір з холодного теплоносія (по воді):

(4.5)

За кількістю Рейнольдса визначаємо режим течії.

Визначаємо опір по потоку води:

, (4.6)

Де -Втрати в трубах,

-Втрати місцевого опору,

,

не повинно перевищувати 2 кПа.

Розрахункова частина

Середня швидкість вихлопних газів

Визначимо опір по потоку вихлопного газу:

,

де поперечні втрати тиску

,

місцеві втрати тиску

,

Еквівалентний діаметр міжтрубного простору:

,

де .

Число Рейнольдса:

.

Число Рейнольдса для води

.

Висновок: режим течії турбулентний.

Втрати в трубах

,

де

при температурі стінки (За таблицями для води).

Втрати місцевого опору

, Де

,

Визначаємо опір по потоку води

.

не перевищує 2 кПа.

Таблиця 4.1 Результати розрахунків.

5 Розрахунок теплопередачі після оребрення

Алгоритм розрахунку

Метою розрахунку є завершення компонування теплообмінника, уточнення розрахунків теплопередачі і гідродинамічного опору.

Коефіцієнт тепловіддачі по повітрю незначний, тому необхідно робити ребра для збільшення цього коефіцієнта.

Рис 5.1 Схема оребрення

Вибираємо параметри ребра із заданих меж:

Коефіцієнт тепловіддачі буде дорівнює

, (5.1)

Де - Коефіцієнт теплопровідності для Сталь 10.

-Приведений коефіцієнт тепловіддачі для повітря, (5.2)

ε - ступінь оребрення

(5.3)

Е-ступінь ефективності ребер, приймається рівною 0,8,

Ψ-поправка на обтікання ребер, приблизно дорівнює 1,

χ-коефіцієнт міжтрубного простору:

(5.4)

α _{1-коефіцієнт} тепловіддачі від повітря, визначається з критеріального рівняння:

; (5.5)

α ₂ - коефіцієнт тепловіддачі від води, визначається з критеріального рівняння:

. (5.6)

Число Нуссельта при турбулентному режимі течії в каналі (стр.14 [1]):

= 1 при

Рис. 5.2 Схема оребрення

Знаходимо вільну площу газоходу з урахуванням оребріння:

(5.7)

Уточнюємо значення швидкості вихлопних газів після установки ребер:

(5.8)

Число Рейнольдса для вихлопних газів з урахуванням оребріння:

(5.9)

Число Нуссельта після оребріння:

, (5.10)

Значення беремо з четвертого розділу.

Уточнюємо значення ступеня ефективності ребер:

, (5.11)

Де -Еквівалентна висота для прямокутних ребер, коефіцієнт , Ψ = 1-0,058 ( )

Уточнюємо площа теплообміну, число рядів труб і висоту теплообмінника:

Необхідно враховувати експлуатаційне забруднення теплообмінного апарату і робити запас по площі.

Потім перераховуємо кількість рядів труб і уточнюємо висоту теплообмінника.

Після установки ребер зміниться гідравлічний опір по повітрю

не повинно перевищувати 2 кПа.

Розрахункова частина

Вибираємо параметри ребра із заданих меж:

Число Нуссельта при турбулентному режимі течії в каналі (стр.14 [1]):

= 1 при

Визначаємо коефіцієнт тепловіддачі від води з критеріального рівняння:

.

Ступінь оребрення

Коефіцієнт міжтрубного простору:

Знаходимо вільну площу газоходу з урахуванням оребріння:

.

Уточнюємо значення швидкості вихлопних газів після установки ребер:

.

Число Рейнольдса для вихлопних газів з урахуванням оребріння:

Число Нуссельта після оребріння:

,

Коефіцієнт тепловіддачі від повітря, визначається з критеріального рівняння:

.

Приведений коефіцієнт тепловіддачі для повітря

Коефіцієнт тепловіддачі буде дорівнює

,

-Коефіцієнт теплопровідності для Сталь 10.

Еквівалентна висота для прямокутних ребер

коефіцієнт

Уточнюємо значення ступеня ефективності ребер:

,

Ψ = 1-0,0 58 ( ) =

Уточнюємо площа теплообміну, число рядів труб і висоту теплообмінника:

Необхідно враховувати експлуатаційне забруднення теплообмінного апарату і робити запас по площі.

Потім перераховуємо кількість рядів труб і уточнюємо висоту теплообмінника.

Після установки ребер зміниться гідравлічний опір по повітрю

не перевищує 2 кПа.

Таблиця 5.1 Результати розрахунків

Список літератури

1. Методичні вказівки до курсової роботи з дисципліни «Тепломасообмін» для студентів енергетичних спеціальностей, СумДУ, 2006.

2. Міхєєв М.А., Основи теплопередачі, Госенергоіздат, 1956.

3. Новіков І.І. і Воскресенський К.Д., Прикладна термодинаміка, Госенергоіздат, 1961.

4. Швець Т., Загальна теплотехніка, Видавництво Київського Університету, 1963.

5. Константінов С.М. Теплообмін: Підручник. - К.: ВПІ ВПК «Пол ітехніка»: Інрес, 2005. - 304с.