Министерство образования и науки Украины
Сумский государственный университет
Кафедра технической теплофизики
Курсовая работа
по дисциплине “Тепломассообмен”
Сумы 2009
Содержание
Термодинамический расчет
Определение теплофизических свойств теплоносителей
Предварительная компоновка теплообменной системы
Гидродинамический расчёт
Расчёт теплопередачи после оребрения
Список литературы
1. Термодинамический расчет
Постановка задачи:
При проектировании теплообменного аппарата, целью расчёта которого является определение поверхности теплообмена, должны быть известны расход горячего и холодного теплоносителей, их температуры на входе и на выходе и теплоёмкости. Принято обозначать параметры горячего теплоносителя индексом-1 и холодного теплоносителя индексом-2.
Исходные данные:
1. Температура выхлопных газов tг=440°C.
2. Расход выхлопных газов m1=90кг/с.
3. Параметры воды на входе в экономайзер:
-температура воды на входе в экономайзер t2'=105°C;
-давление воды на входе в экономайзер p1=2 бар.
4. Параметры выхлопных газов после пароперегревателя:
-температура выхлопных газов после пароперегревателя
tп= tг-50°C
5. Температура выхлопных газов на входе в экономайзер
t1'= t2''+∆ tг, где ∆ tг=15…20°C.
Требования по сопротивлению:
Газодинамическое сопротивление не должно превышать ∆ p1≤2кПа (2% от номинала).
Гидродинамические показатели не ограничены, но скорость воды в трубах не должна превышать 2-3 м/с.
Выхлопные газы газотурбинной установки содержат 75 % воздуха, поэтому их свойства можно считать по свойствам воздуха.
Газовая постоянная R=292/>.
t2''=208°C при p2=18 бар (из таблицы для воды и сухого насыщенного пара).
t1'= t2''+ (15…20°C) =208+20=228°C
tп= tг-50°C=500-50=450°C
/>
Рисунок 1- Принципиальная схема ПТУ
/>
Рисунок 2- Схема процесса в T,s-координатах
Термодинамическая модель
Если теплота горячего теплоносителя полностью воспринимается холодным теплоносителем, то уравнение теплового баланса
/>, (2.1)
/>, (2.2)
где />— тепловой поток.
Средняя теплоёмкость в интервале температур от 0 до tопределяется следующим эмпирическим уравнением:
Cpm/>=1, 0235+/>. (2.3)
Уравнение теплопередачи:
/>, (2.4)
где />— коэффициент теплопередачи;
/>— площадь поверхности стенки;
/>— средний температурный напор.
Средний температурный напор:
/>, (2.5)
где />, />
Тепловой поток от выхлопных газов:
/>(2.6)
где hГ– энтальпия выхлопных газов.
Расчетная часть
Определяем тепловой поток:
/>,
/>
/>
Найдем расход воды с энергобаланса:
/>.
где энтальпия hп=3360/>определяется по h,S – диаграмме для водяного пара при p2=18 бар и tп=450°C, />=869,5 />— по таблицам для воды при p2=18 бар.--PAGE_BREAK--
/>,
/>10,78 кг/с.
Тепловой поток в экономайзере:
/>,
/> МВт.
Определяем температуру выхлопных газов на выходе из экономайзера:
/>,
/>,
/>,
/>174,11˚С.
Средний температурный напор
/>44,63˚С
Таблица 1.1. Результаты расчета.
наименование
обозначение
размерность
значение
тепловая мощность экономайзера
Qэ
МВт
4,86
характерная температура после пароперегревателя
/>
˚С
228
характерная температура газа на выходе из экономайзера
/>
˚С
174,11
характерная температура воды на входе в экономайзер
/>
˚С
90
характерная температура воды на выходе из экономайзера
/>
˚С
208
характерное давление на входе
p1
бар
1
характерное давление на выходе
p2
бар
18
большая разность температур
/>
˚С
84,11
меньшая разность температур
/>
˚С
20
средняя разность температур
/>
˚С
44,63
массовый расход воздуха
m2
кг/с
10,78
2 Определение теплофизических свойств теплоносителей
Плотность выхлопных газов на входе определяем из уравнения состояния газа
/>,
где R=292/> — газовая постоянная,
/>=1 бар- давление выхлопных газов на входе,
/>=228+273,15=501,15 К- температура выхлопных газов на входе в экономайзер.
/>.
Плотность выхлопных газов на выходе определяем из уравнения состояния газа
/>,
где R=292/> — газовая постоянная,
/>=0,98 бар- давление выхлопных газов на выходе,
/>=174,11+273,15=447,26 К — температура выхлопных газов на выходе из экономайзера.
/>.
Средняя плотность выхлопных газов
/>.
Средняя температура выхлопных газов
/>˚С.
Теплофизические свойства воздуха определяем по табличным данным из табл. 2, с. 284 [2] по />˚С:
Таблица 2.1. Теплофизические свойства воздуха.
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/> продолжение
--PAGE_BREAK--
/>
/>
/>
0,68
1,026
Теплофизические свойства воды определяем по табличным данным из табл. 3, с. 286 [2]:
при />=90˚С плотность воды на входе />,
при />=208˚С плотность воды на выходе />.
Средняя плотность воды
/>.
Средняя температура воды
/>˚С.
Теплофизические свойства воды определяем по табличным данным из табл. 3, с. 284 [2] по />˚С:
Таблица 2.2. Теплофизические свойства воды.
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
/>
1,17
4,313
Таблица 2.3. Результаты расчета.
наименование
обозначение
размерность
значение
Плотность выхлопных газов на входе
/>
/>
0,683
Плотность выхлопных газов на выходе
/>
/>
0,750
Теплоёмкость выхлопных газов
/>
/>
1,026
Коэффициент теплопроводности выхлопных газов
/>
/>
/>
Кинематическая вязкость выхлопных газов
/>
/>
/>
Динамическая вязкость выхлопных газов
/>
/>
/>
Число Прандтля для выхлопных газов
/>
_
0,68
Плотность воды на входе
/>
/>
965,3
Плотность воды на выходе
/>
/>
850
Теплоёмкость воды
/>
/>
4,313
Коэффициент теплопроводности воды
/>
/>
/>
Кинематическая вязкость воды
/>
/>
/>
Динамическая вязкость воды
/>
/>
/>
Число Прандтля для воды
/>
_
1,17
3 Предварительная компоновка теплообменной системы
Алгоритм расчёта
Целью эскизной компоновки теплообменника является определение предварительных размеров теплообменных аппаратов. Принимаем перекрестно-противоточную схему. Она предполагает следующее распределение температуры по площади теплообменника:
/>
Рисунок 3.1Распределение температуры по площади теплообменника
Изменение средней температуры вычисляется по формуле
/>, (3.1)
где /> изменяется в интервале 0,95…1,0; /> — температурный напор (из 1 раздела). продолжение
--PAGE_BREAK--
Основное уравнение теплопередачи
/>, (3.2)
где /> — коэффициент теплопередачи;
/>— площадь поверхности стенки.
Отсюда можем определить площадь теплообмена:
/>, (3.3)
Коэффициент теплопередачи />найдём, исходя из формулы:
/>(3.4)
Из таблицы 3.4 стр.6 [1] принимаем коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенке />, а коэффициент теплоотдачи от воды к воздуху />.
Диаметры труб выбираем из стандартного ряда, приведенного ниже:
24/>1, 32/>4, 32/>5, 38/>2,5, 22/>2.
Наиболее выгодно применять трубы с диаметрами 32/>4, 38/>2,5, 22/>2.
Для Ст20 коэффициент теплопроводности />.
В первом приближении принимаем шахматное расположение пучков труб:
/>
Рисунок 3.2 Шахматное расположение пучка труб
Отношение продольного шага к наружному диаметру обозначим через а, а отношение поперечного шага к наружному диаметру обозначим через в.
Таким образом
/>,/>. (3.5)
При этом а находится в интервале 1,5…2,5. />.
/>
Рисунок 3.3 Эскизная компоновка экономайзера
Уравнение баланса
/>, (3.6)
где />— число труб в одном ряде,
/>-среднерасходная скорость воды в трубах на входе.
Рекомендуется брать />=0,1…0,25 м/с (таблица 3.1 [1]).
Отсюда />. (3.7)
Среднерасходная скорость воды на выходе
/>. (3.8)
Общая площадь газопровода
/>
/>, (3.9)
где L— длина, которая задаётся из интервала 4…6 м; B-ширина, равная 1,5…4 м.
Скорость газа в межтрубном пространстве
/>— на входе (3.10)
/>— на выходе (3.11)
Площадь теплообмена
/>, (3.12)
где />-число рядов труб.
/>(3.13)
/>, />.
Высота теплообменника
/>(3.14)
Расчётная часть
Изменение средней температуры
/>
принимаем />=1, />˚С.
Тепловой поток />. Отсюда площадь теплообмена />.
Коэффициент теплопередачи
/>.
Из таблицы 3.4 стр.6 [1] принимаем коэффициент теплоотдачи от воздуха к стенке />, а коэффициент теплоотдачи от воды к воздуху />.
Диаметры труб выбираем 38/>2,5.
Для Ст20 коэффициент теплопроводности />. продолжение
--PAGE_BREAK--
/>
/>.
4.3. />,/>.Принимаем а=2.
/> Принимаем />.
Число труб в одном ряде
/>
Число труб в двух рядах />.
Среднерасходная скорость воды на выходе
/>
Задаёмся длиной и шириной L=6м; B=4м.
Общая площадь газопровода
/>
Скорость газа в межтрубном пространстве
/>
/>
Число рядов труб
/>
/>
Высота теплообменника />
Таблица 3.1. Результаты расчётов.
Наименование
Обозначение
Размерность
Значение
Площадь теплообмена
F
м2
1203,3
Среднерасходная скорость воды на входе
/>
м/с
0,2
Число труб в одном ряду
z1
_
32
Среднерасходная скорость воды на выходе
/>
м/с
0,23
Длина газохода
L
м
6
Ширина газохода
B
м
4
Число рядов труб
n1
-
60
Высота теплообменника
H
м
3,96
Cкорость газа в межтрубном пространстве на входе
/>
м/с
7,89
Cкорость газа в межтрубном пространстве на выходе
/>
м/с
7,19
Общая площадь газохода
f
м2
16,70
4. Гидродинамический расчёт
Алгоритм расчёта
Целью гидродинамического расчёта является определение потери давления горячего и холодного теплоносителя при прохождении через аппарат. Гидродинамическое сопротивление элементов теплообменного аппарата определяется условиями движения теплоносителей и особенностями конструкции аппарата.
Определим сопротивление по потоку выхлопного газа:
/>, (4.1)
где поперечные потери давления />,
местные потери давления
/>,
средняя скорость выхлопных газов
/>, (4.2)
согласно таблице П.1.6 стр.17 [1] значения коэффициентов:
/>
Необходимо определить число Рейнольдса: продолжение
--PAGE_BREAK--
/>. (4.3)
Эквивалентный диаметр межтрубного пространства:
/>, (4.4)
где />-периметр смачивания.
Гидродинамическое сопротивление по холодному теплоносителю (по воде):
/>(4.5)
По числу Рейнольдса определяем режим течения.
Определяем сопротивление по потоку воды:
/>, (4.6)
Где />-потери в трубах,
/>
/>-потери местного сопротивления,
/>, />
/>не должно превышать 2 кПа.
Расчётная часть
Средняя скорость выхлопных газов
/>
/>
Определим сопротивление по потоку выхлопного газа:
/>,
где поперечные потери давления
/>,
местные потери давления
/>,
/>
Эквивалентный диаметр межтрубного пространства:
/>,
где />.
Число Рейнольдса:
/>.
Число Рейнольдса для воды
/>.
Вывод: режим течения турбулентный.
Потери в трубах
/>,
где />
/> при температуре стенки />(по таблицам для воды).
/>
Потери местного сопротивления
/>, где
/>, />
Определяем сопротивление по потоку воды
/>.
/>не превышает 2 кПа.
Таблица 4.1 Результаты расчётов.
Наименование
Обозначение
Размерность
Значение
Число Рейнольдса для выхлопных газов
/>
-
/>
Число Рейнольдса для воды
/>
-
/> продолжение
--PAGE_BREAK--
Сопротивление по потоку выхлопных газов
/>
кПа
0,67
сопротивление по потоку воды
/>
кПа
1,09
Местные потери давления
/>
кПа
0,061
Поперечные потери давления
/>
кПа
0,61
Потери местного сопротивления
/>
кПа
0,71
Потери в трубах
/>
кПа
0,38
5 Расчёт теплопередачи после оребрения
Алгоритм расчёта
Целью расчёта является завершение компоновки теплообменника, уточнение расчётов теплопередачи и гидродинамического сопротивления.
Коэффициент теплоотдачи по воздуху незначителен, поэтому необходимо делать оребрение для увеличения этого коэффициента.
/>
Рис 5.1 Схема оребрения
Выбираем параметры ребра из заданных пределов:
/>
Коэффициент теплоотдачи будет равен
/>, (5.1)
Где />— коэффициент теплопроводности для Сталь 10.
/>-приведенный коэффициент теплоотдачи для воздуха, (5.2)
ε — степень оребрения
/>(5.3)
Е-степень эффективности рёбер, принимается равной 0,8,
Ψ-поправка на обтекание рёбер, примерно равна 1,
χ-коэффициент межтрубного пространства:
/>(5.4)
α1-коэффициент теплоотдачи от воздуха, определяется из критериального уравнения:
/>; (5.5)
α2— коэффициент теплоотдачи от воды, определяется из критериального уравнения:
/>. (5.6)
Число Нуссельта при турбулентном режиме течения в канале(стр.14 [1]):
/>
/>=1 при />
/>
Рис. 5.2 Схема оребрения
Находим свободную площадь газохода с учётом оребрения:
/>(5.7)
Уточняем значение скорости выхлопных газов после установки рёбер:
/>(5.8)
Число Рейнольдса для выхлопных газов с учётом оребрения:
/>(5.9)
Число Нуссельта после оребрения:
/>, (5.10)
Значения />берём из четвёртого раздела.
Уточняем значение степени эффективности рёбер:
/>, (5.11)
Где />-эквивалентная высота для прямоугольных рёбер, коэффициент />, Ψ=1-0,058(/>)
Уточняем площадь теплообмена, число рядов труб и высоту теплообменника:
/>
/>
/>
/>
Необходимо учитывать эксплуатационное загрязнение теплообменного аппарата и делать запас по площади.
/>
/>
Затем пересчитываем число рядов труб и уточняем высоту теплообменника.
После установки рёбер изменится гидравлическое сопротивление по воздуху
/>
/>не должно превышать 2 кПа.
Расчётная часть
Выбираем параметры ребра из заданных пределов:
/>/>/> />
Число Нуссельта при турбулентном режиме течения в канале(стр.14 [1]):
/>
/>=1 при />
/> продолжение
--PAGE_BREAK--
Определяем коэффициент теплоотдачи от воды из критериального уравнения:
/>.
Степень оребрения
/>
/>
Коэффициент межтрубного пространства:
/>
Находим свободную площадь газохода с учётом оребрения:
/>.
Уточняем значение скорости выхлопных газов после установки рёбер:
/>.
Число Рейнольдса для выхлопных газов с учётом оребрения:
/>
Число Нуссельта после оребрения:
/>,
/>
Коэффициент теплоотдачи от воздуха, определяется из критериального уравнения:
/>.
Приведенный коэффициент теплоотдачи для воздуха
/>
Коэффициент теплоотдачи будет равен
/>,
/>-коэффициент теплопроводности для Сталь 10.
Эквивалентная высота для прямоугольных рёбер
/>
коэффициент
/>
Уточняем значение степени эффективности рёбер:
/>,
Ψ=1-0,058(/>)=/>
Уточняем площадь теплообмена, число рядов труб и высоту теплообменника:
/>
/>
/>
Необходимо учитывать эксплуатационное загрязнение теплообменного аппарата и делать запас по площади.
/>
/>
Затем пересчитываем число рядов труб и уточняем высоту теплообменника.
/>
/>
/>
После установки рёбер изменится гидравлическое сопротивление по воздуху
/>/>не превышает 2 кПа.
Таблица 5.1 Результаты расчётов
Наименование
Обозначение
Размерность
Значение
Шаг между рёбрами
s
мм
6
Высота ребра
h
мм
12
Толщина ребра
/>
мм
2
Скорость выхлопных газов после оребрения
/>
м/с
13,4
Число Рейнольдса
Re1
-
14042
Число Нуссельта для выхлопных газов
Nu1
-
80,2
Число Нуссельта для воды
Nu2
-
88,9
Степень эффективности рёбер
Е
-
1
Поправка на обтекание рёбер
ψ
-
0,99
Список литературы
Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Тепломассообмен» для студентов энергетических специальностей, СумГУ, 2006.
Михеев М.А., Основы теплопередачи, Госэнергоиздат,1956.
Новиков И.И. и Воскресенский К.Д., Прикладная термодинамика, Госэнергоиздат, 1961.
Швец Т., Общая теплотехника, Издательство Киевского Университета, 1963.
Константінов С.М. Теплообмін: Підручник. – К.: ВПІ ВПК «Політехніка»: Інрес, 2005. – 304с.