Міністерствоосвіти та науки України
Кафедра„ТГ”
Пояснюючазаписка до курсової роботи
„Розрахунокгазоповітряного рекуператора”
Підготував:
ст.гр.М-227 Сталь О.П.
Перевірив: Зинкевич І. Г.
2009
Зміст
Реферат
Вихідні данні
1. Тепловий розрахунок
2. Конструктивний розрахунок
3. Аеродинамічний розрахунок
Перелік використанної літератури
Реферат
Об'єкт дослідження курсової роботи – газоповітрянийрекуператор.
Мета роботи – проведеннятеплового, конструктивного та аеродинамічного розрахунків. Кінцева мета — вибір стандартного теплообмінногоапарату.
Метою проведеннятеплового розрахунку є визначення поверхні теплообміну F. Тепловийрозрахунок теплообмінника ґрунтується на сумісному вирішенні рівнянь тепловогобалансу і теплопередачі.
Метою проведенняконструктивного розрахунку є визначення дійсних площ поперечного перерізу, дійсної швидкостітеплоносіїв, загальноїдовжини труб, габаритів рекуператора тощо.
Аеродинамічний розрахунок газоповітряного рекуперативного теплообмінникавиконується з метою визначення сумарних втрат тиску /> в каналах руху гарячого іхолодного теплоносіїв.
РЕКУПЕРАТОР, ХОЛОДНИЙТЕПЛОНОСІЙ, ГАРЯЧИЙ ТЕПЛОНОСІЙ, ТУРБУЛЕНТНИЙ РЕЖИМ, КРИТЕРІЇ ПОДІБНОСТІ.
Вихідні дані
1. Об’ємна витрата гарячоготеплоносія, м3/с ......……….....………..2,3
2. Об’ємна витрата холодноготеплоносія, м3/с …………..………2,0
3. Початковатемпература гарячого теплоносія, оС………… 1050
4. Початковатемпература холодного теплоносія, оС…….…….15
5. Кінцеватемпература холодного теплоносія, оС………………400
6. Середняшвидкість гарячого теплоносія, м/с …………...……..2,5
7. Середняшвидкість холодного теплоносія, м/с ……….…….…….6
8. Об'ємнийвміст випромінюючих газів у гарячому теплоносії, %
rCO2 ……………………………………………………………………13,0
rH2O………………………………………………………...……….......18,0
9. Тиск гарячого теплоносія,Па……………………………...1,06·105
10. Внутрішній діаметр труб, м……………………………………0,02
11. Зовнішній діаметр труб, м…………………………..…….…0,024
12. Коефіцієнт теплопровідностіматеріалу труб, Вт/(м·К).….…..55
13. Теплові втрати крізь стінкирекуператора, ....…………..……..0,04
14. Крок труб у поперечному напряму походу руху теплоносія, м..0,05
15. Крок труб у повздовжньому напряму, м…....………...……..0,06
16. Тип пучка труб… ..………………….……………………… шаховий
17. Схема рухутеплоносія………………2-х ходова перехресна протитечія
18. Місце руху гарячоготеплоносія ………………… всередині
19. Міра чорнотиповерхні труб ………………………………. ….0,82
1. Тепловийрозрахунок
1.1 Визначення кінцевоїтемператури гарячого теплоносія
1.1.1 Тепловийпотік, сприйнятий холодним теплоносієм, може бути визначений:
/>.
Оскільки /> oC, oC, то значення об'ємної вибраноїтеплоємності холодного носія, середньої в інтервалі температур від /> до /> визначаємо за формулою (2.2)
/>.
Для />оС, знаходимо С/>/>з дод. 5, інтерполюючи за формулою
/>.
С/>/>= 1,2976 />.
С/>/>= 1,329 />.
C`pm= (1,2976*15-1,329*400)/(15-400)=1,3302/>.
Q2=2*1,3302*(400-15)=1024,3 кВт.
1.1.2 Для визначення об'ємної ізобарної теплоємності гарячого теплоносіянеобхідно скористатися такою умовою:
витрата гарячого теплоносія V1=2,3м3 /с,
витрата холодного теплоносія V2=3=2,0м3/с,
складаючи співвідношення, одержимо:
2,0 м3/с = 100%
2,3 м3/с = х %,
деx=(2,3*100)/2,0=115%,
тобто об'ємнавитрата гарячого теплоносія на 15% більше, ніж холодного. Якщо температурахолодного теплоносія на вході і виході з рекуператора відповідно рівна t/>=15oC, t/>= 400 oC, то можна підрахувати на скількинагрівся холодний теплоносій Dt2 = t/>-t/>=400–15=385oC.
За початковимиданими температурагарячого теплоносія на вході />1050°С. Dt1=385-385·0,15=327,25oC, знайдемо температуру гарячого теплоносія на виході з рекуператора t/>= 1050-327,15 = 722,75°С.
Теплоємністьсуміші визначається по формулі (2.4).
Суміш димовихгазів – це з'єднання азоту, вуглекислого газу, водяної пари.
Ізспіввідношення:
/>.
Оскільки зпочаткових даних:
/>=13%=0,13; />=18% =0,18, то />=1-(0,13+0,18)=0,69.
З дод. 5визначаємо /> , />,/>при t``1=723°С і t`1=1050°С :
а) для СО2, кДж/(м3К)
t`1=1050 °С C`pco2=2,219,
t``1=723, C`pco2=2,08898
C`pco2=(1050*2,219-723*2,08898)/(1050-723)=2,506
б) для Н2О, кДж/(м3К)
t`1=1050 °С C`H2o=1,7365
t``1=723, C`H2o=1,64721
C`ph2o=(1050*1,7365-723*1,64721)/(1050-723)=1,934
в) для N2, кДж/(м3К)
t`1=1050 °С C`N2=1,403
t``1=723, C`N2=1,36199
C`pN2=(1050*1,403-723*1,36199)/(1050-723)=1,49387
Теплоємність суміші
C`p1=C`pco2*rCO2+ C`ph2o*rH2O+
C`pN2*rN2=2,506*0,13+1,934*0,18+1,49387*0,69=1,7047
1.1.3 Знайдемотемпературу гарячого теплоносія вкінці апарату />, оС.
З тепловогобалансу виходить, що :
t``1=t`1-(Q2/V1*C`p1(1-ε)
де Q2=V2*C`pm2(t``2-t`2)=2,0*1,3657*(400-15)=1051,59 кВт
C`pm2=1,2976*15-1,329*400/(15-400)=1,3657кДж.(м³*К)
Отжеt``1= 1050-(1024,23 *10^3/1,7047*10^3*2,3*(1-0,04))=777,87 оС.
1.2 Розрахунок коефіцієнтівтепловіддачі конвекцією при русі теплоносіїв усередині труб і міжтрубномупросторі
1.2.1 Середнятемпература гарячого теплоносія /> і Т1,К
t1=1/2*(t`1+t``1)=1/2*(1050+777,87)=913,94 оС
T1=t1+273,15=913,94+273,15=1187,09оС
1.2.2. Середнятемпература холодного теплоносія /> і Т2, К
t2=1/2*(t`2+t``2)=1/2*(15+400)=207,5оС
T2=t2+273,15=207,5+273,15=480,65оС
1.2.3 Середнядійсна швидкість гарячого теплоносія, м/с
W1=w1*(T1/273,15)=2,5*(1187,09/273,15)=10,86
1.2.4 Середня дійснашвидкість холодного теплоносія, м/с
W2=w2*(T2/273,15)=6,0*(480,65/273,15)=10,557
При t1=913,94оС визначимо значення решти фізичних параметрів гарячоготеплоносія, використовуючи дод. 6:
а) коефіцієнткінематичної в’язкості
t=900оС→νж=152,5*10^-6
t=1000 →νж=174,3*10^-6
ν1ж=152,5+((174,3-152,5)/(1000-900))*(913,94-900)=155,54*10^-6
б) коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м·К)
t=900оС→λж=10*10^-2
t=1000оС →λж =10,90*10^-2
λж1=10+((10,90-10)/100)*13,94=10,125*10^-2
в) число Прандтля
t=900оС→Prж=0,59
t=1000 оС→ Prж=0,58
Prж1=0,59+((0,58-0,59)/100))13,94=0,588
Для холодноготеплоносія при t2= 207,5оС, використовуючидод.7:
а) коефіцієнткінематичної в’язкості, м2/с
t=200оС → νж=34,85*10^-6
t=250оС → νж=40,61*10^-6
νж2=34,85+((40,61-34,85)/50)*7,5=30,11*10^-6
б) коефіцієнт теплопровідності,Вт/(м·К)
t=200оС →λж=3,93*10^-2
t=250оС →λж=4,27*10^-2
λж2=3,93+((4,27-3,93)/50*7,5)=3,981
в) число Прандтля
t=200оС →Prж=0,680
t=250оС →Prж=0,677
Prж2=0,680+((0,677-0,680)/50)*7,5)=0,6796
1.2.5 ЧислоРейнольда для потокугарячого теплоносія
Формула прийме вигляд
Reж1=W1*dвн/ν1ж=10,86*0,02/155,54*10^-6=1396,4,
оскільки гарячий теплоносій рухається всередині труб.
1.2.6 ЧислоГрасгофа для гарячого теплоносія
/>=1187,09-626,37=560,72
tст=1/2*(t1+t2)=1/2*(913,94-207,5)=353,22оС
Tст= tст+273,15=353,22+273,15=626,37оС
Коефіцієнт об'ємного розширення для газових середовищ, 1/К розраховується
β=1/T1=1/1187,09=0,00084
Grж1=(g* dвн^3)/ ν1ж^2*(β*∆t)=((9,81*0,02^3)/ (155,54*10^-6)^2)*(0,00084*560,72)=1527,92
1.2.7 Розраховуємо Nuж1.
За початковимиданими димові гази рухаються в між трубному просторі всередині труб, томувикористовується рівняння (2.15).
ОскількиReж1= 1396,4 знаходиться в межахReж
для шаховихпучків труб С=0,41; n=0,60; m=0,1
/>.
Значення Prстдля газів мало відрізняєтьсявідPrж1, тому можна вважати, що />.
Nuж1= 0,41*1396,4^0,60*0,588^0,36*1=26,11
1.2.8 За числом Nuж1 знаходимо конвективний коефіцієнттепловіддачі, Вт/(м2К)
α1к= Nuж1* λж1/ dвн=26,11*10,125*10^-2/0,02=132,18
1.2.9 Визначаємочисло Рейнольдса Reж2для холодного теплоносія:
Reж2 =W2*dзов/ νж2=10,557*0,024/30,11*10^-6=8414,7
1.2.10 ВизначенняNuж2.
Оскільки холоднийтеплоносій рухається зовні труб, то для визначення Nuж2 тежвикористовується рівняння (2.15).
Визначальною температурою є t2, а визначальним розміром зв.
Оскільки Reж2=8414,7 знаходиться в межах 2320
— для шаховихпучків труб С=0,41; n=0,60 m=0 /> />.
Значення Prст для газів мало відрізняєтьсявідPrж2, тому можна вважати, що />.
Тоді одержуємо
/>=0,41*8414,7^0,60*1*0,6796^0,43*1=78,65
За числом /> знаходимо конвективний коефіцієнттепловіддачі, Вт/(м2К)
α2=/>* λж2/ dзов=78,65*3,981*10^-2/0,024=130,46
1.3 Розрахуноккоефіцієнта тепловіддачі випромінюванням від гарячого теплоносія до стінкитруби
1.3.1 Визначаємопропорційний тиск випромінюючих газів, Па
Pco2=P*rco2=1,06*10^5*0,13=13780
PH2o=P*rH2o=1,06*10^5*0,18=19080
1.3.2 Знаходимоефективну товщину газового шару, м і оскільки гарячий теплоносій рухаєтьсязовні труб, то
Lеф=0,9* dвн=0,9*0,02=0,018
1.3.3 Даліобчислюємо добуток парціального тиску випромінюючих газів на ефективну товщинугазового шару, Па·м
Pco2* Lеф=13780*0,018=248,04
PH2o* Lеф=19080*0,018=343,44
Залежно від />, />, /> визначаємоступінь чорноти цих газів з дод.9 і дод.10
εco2=0,14
εH2o=0,2
β=1,11
Далі маємо:
εH2o= εH2o* β=0,2*1,11=0,222
Повний ступіньчорноти системи гарячого теплоносія знаходимо з формули
εгаз= εco2* εH2o=0,14*0,222=0,0311
Приведенийступінь чорноти системи обчислюємо за формулою
εприв=1/((1/ εгаз)+(1/ εст)-1)=1/(32,15+1,22-1)=0,03089
1.3.4 Коефіцієнттепловіддачі випромінюванням
α1в= (εприв*Co*((T1/100)^4-
(Tст/100)^4)))/T1/Tст=(0,03089*5,67*(198857,95-1539,30))/560,72=61,63
1.3.5 Сумарнийкоефіцієнт тепловіддачі від гарячого теплоносія до стінки труби, Вт/(м2К)
α1= α1в+α1к=61,63+132,18=193,80
1.3.6 Температурутонких циліндрових стінок (dз/вн=0,024/0,02=1,2
/> ,
/> ,
1.3.7 Площаповерхні труб
F1=3,14*dз*l=3,14*0,024*1=0,075м2,
F2=3,14*d в *l=0,063м2,
Fср=3,14*( dз + d в )/2=3,14*0,022=0,069м2,
δ=( dз + d в )/2=0,022м.
1.3.8 Тоді
tст1=((((193,80*0,075)/(130,46*0,063))+((193,80*0,075*0,022)/(55*0,069))*(913,34+207,5))/((1+(193,80*0,075)/(130,46*0,063))+((193,80*0,075*0,022)/(55*0,069))=727,94оС
T ст1= tст1+273,15=1001,09K
tст2=((0,5654+0,0476)*1120,84)/1,613=425,96оС
T ст2= tст2+273,15=699,11K
1.3.9 Визначеннякоефіцієнта теплопередачі, розрахунок середнього температурного натиску міжтеплоносіями і поверхнею теплообмінника
Коефіцієнт теплопередачіК, Вт/(м2·К) через стінки металевих труб можна розрахувати поформулі плоскої стінки />
K=1/((1/ α1)+(δ/λ)+(1/ α2))=1/(0,0052+0,0004+130,46)=75,6
Для перехресної течії середньологарифмічний температурний натисквизначається
/>,
∆tпрот=((t``1-t`2)-(t`1-t``2))/ln((t``1-t`2)/(t`1-t``2))=((777,87-15)-(1050-400)/ln(777,87-15)/( 1050-400)=1623,1
ε∆t=поправочний коефіцієнт, визначаєтьсяз дод 11 в залежності від функції P,R:
P=t``2-t`2/(t`1-t`2)=400-15/(1050-15)=0,37
R=t`1-t``1/(t``2-t`2)=1050-777,87/(400-15)=0,71
ε∆t=1
∆t=1623,1*1=1623,1оС
Площа поверхні теплообміну F, м2
F=Q2/(k*∆t)=1024300/(75*1623,1)=8,3
2.Конструктивний розрахунок
V1= 2,3 м3/с – витратадимових газів;
V2= 2,0 м3/с – витрата повітрячерез рекуператор;
/>1= 2,5 м/с – середня швидкість димовихгазів;
/>2= 6 м/с – середня швидкість повітря.
2.1 Загальнийперетин каналів для проходження димових газів, м2
f1=V1/w1=2,3/2,5=0,92
2.2 Загальнийперетин каналів для проходження повітря, м2
f2=V2/w2=2/6=0,33
2.3 Перетиноднієї труби ( у світлі), м2
W=0,785*dвн^2=0,785*0,02^2=0,000314
2.4 Число труб(каналів) на шляху руху повітря (тому що потік рухається усередині труб)
nд=f2/w=0,33/0,000314=1051
Для коридорногопучка труб приймаємо n1=30;n2=35
2.5 Визначаємозагальне число труб
n=n1+n2=30*35=1050
2.6 Дійснаплоща для проходження повітря, м2
f2=n*w=1050*0,000314=0,3297
2.7 Дійснашвидкість повітря, м/с
wд2=V2/f2=2,0/0,33=6,06
2.8 Крок трубу напрямі руху потоку димових газів і упоперек, м
S1=0,05
S2=0,06
2.9 Ширинаканалів для проходження димових газів у вузькому перетині, м
а = S1 – dвн= 0,05-0,02 = 0,03
2.10 Висотаканалів одного ходу димових газів, м
b=f1/(a*n1)=0,92/(0,03*30)=1,02
2.11 Середнійдіаметр труб, м
dср= (dвн+dз)/2=(0,02+0,024)/2=0,022
2.12 Довжинатруб, м
Lm=F/(π*dср* nд)=8,3*(3,14*0,022*1051)=0,114
2.13 Висотарекуператора визначається таким чином. Раніше була визначена висота одного ходуb. Залежно від схеми рухувизначаємо загальну довжину труб, м
Lm заг=k*b+m*c=2*2+0,2*2=4,4
2.14Враховуючи компенсатор і нижні трубні дошки довжина труб, м
Lm заг= Lm заг+0,2=4,6
2.15Визначаємо в плані габарити рекуператора
ширина: A=S1*n1=0,05*30=1,5,
довжина: B=S2*n2=0,06*35=2,1
3.Аеродинамічний розрахунок рекуперативного теплообмінника
3.1 Опір відтертя
Опір від тертяпри русі повітря або газу по трубах визначають
/>, Па
а) для димовихгазів
з дод. 6 для t1=913,94оС />=0,301 кг/м3; dвн=0,02 м,w1=2,5 м/с, Re=321,46
1+at = 1+t1/273,15=1+913,94/273,15=4,35
для ламінарногорежиму />=64/321,46=0,199,
∆Pтр1=μ1*(w1^2/2)*ρ1*(1+at)*(Lmзаг/dв)=0.199*(2,5^2/2)*0,301*4,35*(4,6/0,02)=187,22Па.
б) для сухогоповітря
з дод. 9 для t2=207,5оС/>= 0,748кг/м3; dв =0,024 м; w2=6,0 м/с; Re2=4738,4;
1+ at= 1+t2/273,15=1+(207,5/273,15)=1,76
для турбулентногорежиму />,
А=0,32, n=0,25 длягладкої металевої стінки;
μ=0,32/4738,4^0,25=0,28
∆Pтр2=
μ2*(w2^2/2)*ρ2*(1+at)*(Lmзаг/dз)=0,28*(6,0^2/2)*0,748*1,76*
(4,6/0,024)=1271Па.
3.2 Місцевіопори
До місцевихопорів відносяться різкі зміни перетину, тобто різкі зміни швидкості по шляхуруху газу, плавні і різкі повороти, розгалуження трубопроводу та ін.
Втрати тиску на опір пучків труб при русі теплоносія усередині труб, Па
/>,
де /> при />.
(0,05/0,02=0,06/0,024)
звідси: />,
n1=30 n2=35
з дод. 14 тадод.15 Сs=0,5 ξ=0,53
ξ=0,5*0,53*30=7,95
/>7,95*(2,5^2/2)* 0,301*(4,35)=32,5
Оскільки сухеповітря рухається зовні труб, то аеродинамічний опір пучків труб, Па
Втрати тиску на опір пучків труб при їх зовнішньому обмиванні:
— при шаховомурозташуванні труб
/>,
Δh, СS, Сd– знаходять за номограмами,наведеними в дод. 13, при цьому швидкість потоку приймають у вузькому перерізіпучка при середній температурі потоку;
СS=0,5 Сd=1,9 Δh=0,23
/>9,81*0,5*1,9*0,23*(30+1)=66,4
Загальна втрата тиску в рекуперативній установці по повітряному ідимовому тракту може бути визначена
ΣP= ΣP1+ ΣP2=219,72+1337,4=1557,12Па
Σ∆P1 = Σ P1тр+ Σ Р1м=187.22+32,5=219,72Па
Σ∆P2 = Σ P2тр+ Σ Р2м=1271+66,4=1337,4Па
3.3 Потужністьелектричного приводу дуттьового вентилятора, Вт:
— для переміщеннягарячого теплоносія
N1=V1*ρ1* Σ∆P1/η=2,3*0,301*219,72/0,7=217,3
— для переміщенняхолодного теплоносія
N2=V2*ρ2* Σ∆P2/η=2,9*0,748*1337,4/0,7=2858
Cписок використаноїлітератури
1. Безверхий П.А. Конструкторский расчет кожухотрубногорекуперативного теплообменника. – Днепропетровск, ДМетИ, 1976. – 30 с.
2. Блох А.Г. Основы теплообмена излучением. – М., Л.: Госэнергоиздат,1962. – 230 с.
3. Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика итеплопередача. – М.: Высш. школа, 1975. – 355 с.
4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия, 1975. – 488 с.
5. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. – М.: Энергия, 1975. – 257 с.
6. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.:Энергия, 1973. – 320 с.
7. Ульянов А.В., Тандура И.П., Попова Л.Н. Руководство клабораторным и практическим занятиям по курсу «Основы теплообмена». –Днепропетровск, ДМетИ, 1975. – 115 с.
8. Хоблер Т. Теплопередача и теплообменники. – Л.:Госхимиздат, — 1961. – 290 с.
9. Якобс И. Вопросы теплопередачи. – М.: ИЛ, 1960. – 350 с.