Міністерство освіти та науки України
Кафедра „ТГ”
Пояснююча записка до курсової роботи
„Розрахунок газоповітряного 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 – газоповітряний рекуператор.
Мета роботи – проведення теплового, конструктивного та аеродинамічного розрахунків. Кінцева мета - вибір стандартного теплообмінного апарату.
Метою проведення теплового розрахунку є визначення поверхні теплообміну F
. Тепловий розрахунок теплообмінника ґрунтується на сумісному вирішенні рівнянь теплового балансу і теплопередачі.
Метою проведення конструктивного розрахунку є визначення дійсних площ поперечного перерізу, дійсної швидкості теплоносіїв, загальної довжини труб, габаритів рекуператора тощо.
Аеродинамічний розрахунок газоповітряного рекуперативного теплообмінника виконується з метою визначення сумарних втрат тиску  в каналах руху гарячого і холодного теплоносіїв.
РЕКУПЕРАТОР, ХОЛОДНИЙ ТЕПЛОНОСІЙ, ГАРЯЧИЙ ТЕПЛОНОСІЙ, ТУРБУЛЕНТНИЙ РЕЖИМ, КРИТЕРІЇ ПОДІБНОСТІ.
Вихідні дані
1. Об’ємна витрата гарячого теплоносія, м3
/с ......……….....………..2,3
2. Об’ємна витрата холодного теплоносія, м3
/с …………..………2,0
3. Початкова температура гарячого теплоносія, о
С ………......... 1050
4. Початкова температура холодного теплоносія, о
С …….…….15
5. Кінцева температура холодного теплоносія, о
С ………………400
6. Середня швидкість гарячого теплоносія, м/с …………...……..2,5
7. Середня швидкість холодного теплоносія, м/с ……….…….…….6
8. Об'ємний вміст 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 теплопровідності матеріалу труб, Вт/(м·К).….…..55
13. Теплові втрати крізь стінки рекуператора, ....…………..……..0,04
14. Крок труб у поперечному напряму по ходу руху теплоносія, м..0,05
15. Крок труб у повздовжньому напряму, м …....………...……..0,06
16. Тип пучка труб… ..………………….……………………..шаховий
17. Схема руху теплоносія………………2-х ходова перехресна протитечія
18. Місце руху гарячого теплоносія ………………................всередині
19. Міра чорноти поверхні труб ………………………………. ….0,82
1. Тепловий розрахунок
1
.1 Визначення кінцевої температури гарячого теплоносія
1.1.1 Тепловий потік, сприйнятий холодним теплоносієм, може бути визначений:
 .
Оскільки  o
C, o
C, то значення об'ємної вибраної теплоємності холодного носія, середньої в інтервалі температур від  до  визначаємо за формулою (2.2)
 .
Для о
С, 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 теплоносія необхідно 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'ємна витрата гарячого теплоносія на 15% більше, ніж холодного. Якщо температура холодного теплоносія на вході і виході з рекуператора відповідно рівна t =15o
C, t = 400 o
C, то можна підрахувати на скільки нагрівся холодний теплоносій Dt2
= t-t=400–15=385o
C.
За початковими даними температурагарячого теплоносія на вході  1050°С. Dt1
=385-385·0,15=327,25 o
C, знайдемо температуру гарячого теплоносія на виході з рекуператора t = 1050-327,15 = 722,75°С.
Теплоємність суміші визначається по формулі (2.4).
Суміш димових газів – це з'єднання азоту, вуглекислого газу, водяної пари.
Із співвідношення:
 .
Оскільки з початкових даних:
 =13%=0,13; =18% =0,18, то  =1-(0,13+0,18)=0,69.
З дод. 5 визначаємо  ,  , при t``1=723°С і t`1=1050 °С :
а) для СО2
, кДж/(м3
К)
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 Н2
О, кДж/(м3
К)
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/(м3
К)
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 Знайдемо температуру гарячого теплоносія вкінці апарату , о
С.
З теплового балансу 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)=1,3657 кДж.(м³*К)
Отжеt``1= 1050-(1024,23*10^3/1,7047*10^3*2,3*(1-0,04))=777,87о
С.
1.2
Розрахунок коефіцієнтів тепловіддачі конвекцією при русі теплоносіїв усередині труб і міжтрубному просторі
1.2.1 Середня температура гарячого теплоносія  і Т1
,К
t1=1/2*(t`1+t``1)=1/2*(1050+777,87)=913,94о
С
T1=t1+273,15=913,94+273,15=1187,09 о
С
1.2.2. Середня температура холодного теплоносія  і Т2
, К
t2=1/2*(t`2+t``2)=1/2*(15+400)=207,5 о
С
T2=t2+273,15=207,5+273,15=480,65 о
С
1.2.3 Середня дійсна швидкість гарячого теплоносія, м/с
W1=w1*(T1/273,15)=2,5*(1187,09/273,15)=10,86
1.2.4 Середня дійсна швидкість холодного теплоносія, м/с
W2=w2*(T2/273,15)=6,0*(480,65/273,15)=10,557
Приt1=913,94 о
С визначимо значення решти фізичних параметрів гарячого теплоносія, використовуючи дод. 6:
а) коефіцієнт кінематичної в’язкості
t=900 о
С→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=900 о
С→λж=10*10^-2
t=1000 о
С → λж =10,90*10^-2
λж1=10+((10,90-10)/100)*13,94=10,125*10^-2
в) число Прандтля
t=900 о
С→Prж=0,59
t=1000 о
С → Prж=0,58
Prж1=0,59+((0,58-0,59)/100))13,94=0,588
Для холодного теплоносія при t2=207,5 о
С, використовуючи дод.7:
а) коефіцієнт кінематичної в’язкості, м2
/с
t=200 о
С → νж=34,85*10^-6
t=250 о
С → 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=200 о
С →λж=3,93*10^-2
t=250о
С →λж=4,27*10^-2
λж2=3,93+((4,27-3,93)/50*7,5)=3,981
в) число Прандтля
t=200 о
С →Prж=0,680
t=250о
С →Prж=0,677
Prж2=0,680+((0,677-0,680)/50)*7,5)=0,6796
1.2.5 Число Рейнольда для потоку гарячого 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 Число Грасгофа для гарячого теплоносія
 =1187,09-626,37=560,72
tст=1/2*(t1+t2)=1/2*(913,94-207,5)=353,22 о
С
Tст= tст+273,15=353,22+273,15=626,37 о
С
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 початковими даними димові гази рухаються в між трубному просторі всередині труб, тому використовується рівняння (2.15).
ОскількиRe ж1
=
1396,4знаходиться в межах Reж
<2320, то це ламінарнийрежим тому
для шахових пучків труб С
=0,41; n
=0,60; m=0,1
 .
Значення Prст
для газів мало відрізняється відPrж1
, тому можна вважати, що .
Nu ж
1=
0,41*1396,4^0,60*0,588^0,36*1=26,11
1.2.8 За числом Nuж1
знаходимо конвективний коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2
К)
α1к= Nu ж
1*
λж1/ dвн=26,11*10,125*10^-2/0,02=132,18
1.2.9 Визначаємо число Рейнольдса Reж2
для холодного теплоносія:
Reж2
= W2*dзов/ νж2=10,557*0,024/30,11*10^-6=8414,7
1.2.10 Визначення Nuж2
.
Оскільки холодний теплоносій рухається зовні труб, то для визначення Nu
ж2
тежвикористовується рівняння (2.15).
Визначальною температурою є t2
,
а визначальним розміром зв
.
Оскільки Reж2
=8414,7 знаходиться в межах 2320<Rеж2
<10000, то це перехідний процес і
- для шахових пучків труб С
=0,41; n
=0,60m=0  .
Значення Prст
для газів мало відрізняється відPrж2
, тому можна вважати, що .
Тоді одержуємо
 =0,41*8414,7^0,60*1*0,6796^0,43*1=78,65
За числом знаходимо конвективний коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2
К)
α2=* λж2/dзов=78,65*3,981*10^-2/0,024=130,46
1.3 Розрахунок коефіцієнта тепловіддачі випромінюванням від гарячого теплоносія до стінки труби
1.3.1 Визначаємо пропорційнийтиск 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 Знаходимо ефективну товщину газового шару, м і оскільки гарячий теплоносій рухається зовні труб, то
Lеф=0,9* dвн=0,9*0,02=0,018
1.3.3 Далі обчислюємо добуток парціального тиску випромінюючих газів на ефективну товщину газового шару, Па·м
Pco2* Lеф=13780*0,018=248,04
PH2o* Lеф=19080*0,018=343,44
Залежно від  ,  ,  визначаємо ступінь 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 ступінь чорноти системи гарячого теплоносія знаходимо з формули
εгаз= εco2* εH2o=0,14*0,222=0,0311
Приведений ступінь чорноти системи обчислюємо за формулою
εприв=1/((1/ εгаз)+(1/ εст)-1)=1/(32,15+1,22-1)=0,03089
1.3.4 Коефіцієнт тепловіддачі 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 Сумарний коефіцієнт тепловіддачі від гарячого теплоносія до стінки труби, Вт/(м2
К)
α1= α1в+α1к=61,63+132,18=193,80
1.3.6 Температуру тонких циліндрових стінок (dз/вн=0,024/0,02=1,2<2) визначають за наступними формулами
 ,
 ,
1.3.7 Площа поверхні 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))=727,94 о
С
T ст1= tст1+273,15=1001,09K
tст2=((0,5654+0,0476)*1120,84)/1,613=425,96 о
С
T ст2= tст2+273,15=699,11K
1.3.9 Визначення коефіцієнта теплопередачі, розрахунок середнього температурного натиску між теплоносіями і поверхнею теплообмінника
Коефіцієнт теплопередачі К, Вт/(м2
·К) через стінки металевих труб можна розрахувати по формулі плоскої стінки  <2,
K=1/((1/ α1)+(δ/λ)+(1/ α2))=1/(0,0052+0,0004+130,46)=75,6
Для перехресної течії середньологарифмічний температурний натиск визначається
 ,
∆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, визначається з 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=1623,1 о
С
Площа поверхні теплообміну F, м2
F=Q2/(k*∆t)=1024300/(75*1623,1)=8,3
2. Конструктивний розрахунок
V1
= 2,3 м3
/с – витрата димових газів;
V2
= 2,0 м3
/с – витрата повітря через рекуператор;
 1
= 2,5 м/с – середня швидкість димових газів;
2
= 6 м/с – середня швидкість повітря.
2.1 Загальний перетин каналів для проходження димових газів, м2
f1=V1/w1=2,3/2,5=0,92
2.2 Загальний перетин каналів для проходження повітря, м2
f2=V2/w2=2/6=0,33
2.3 Перетин однієї 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 коридорного пучка труб приймаємо n1=30; n2=35
2.5 Визначаємо загальне число труб
n=n1+n2=30*35=1050
2.6 Дійсна площа для проходження повітря, м2
f2=n*w=1050*0,000314=0,3297
2.7 Дійсна швидкість повітря, м/с
wд2=V2/f2=2,0/0,33=6,06
2.8 Крок труб у напрямі руху потоку димових газів і упоперек, м
S1=0,05
S2=0,06
2.9 Ширина каналів для проходження димових газів у вузькому перетині, м
а
= S1
– dвн= 0,05-0,02 = 0,03
2.10 Висота каналів одного ходу димових газів, м
b=f1/(a*n1)=0,92/(0,03*30)=1,02
2.11 Середній діаметр труб, м
dср=(dвн+dз)/2=(0,02+0,024)/2=0,022
2.12 Довжина труб, м
Lm=F/(π*dср* nд)=8,3*(3,14*0,022*1051)=0,114
2.13 Висота рекуператора визначається таким чином. Раніше була визначена висота одного ходу
b
. Залежно від схеми руху визначаємо загальну довжину труб, м
Lm заг=k*b+m*c=2*2+0,2*2=4,4
2.14 Враховуючи компенсатор і нижні трубні дошки довжина труб, м
Lm заг= Lm заг+0,2=4,6
2.15 Визначаємо 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 від тертя
Опір від тертя при русі повітря або газу по трубах визначають
 , Па
а) для димових газів
з дод. 6для t1=913,94 о
С  =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 ламінарного режиму  =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 сухого повітря
з дод. 9для t2=207,5 о
С = 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 турбулентного режиму  ,
А
=0,32, n
=0,25 для гладкої 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 Місцеві опори
До місцевих опорів відносяться різкі зміни перетину, тобто різкі зміни швидкості по шляху руху 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 та дод.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 сухе повітря рухається зовні труб, то аеродинамічний опір пучків труб, Па
Втрати тиску на опір пучків труб при їх зовнішньому обмиванні:
- при шаховому розташуванні труб
 ,
Δh, СS,
Сd
– знаходять за номограмами, наведеними в дод. 13, при цьому швидкість потоку приймають у вузькому перерізі пучка 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 і димовому тракту може бути визначена
ΣP= ΣP1+ ΣP2=219,72+1337,4=1557,12Па
Σ∆P1 = ΣP1тр+ Σ Р1м=187.22+32,5=219,72Па
Σ∆P2 = ΣP2тр+ Σ Р2м=1271+66,4=1337,4Па
3.3 Потужність електричного приводу дуттьового вентилятора, Вт:
- для переміщення гарячого теплоносія
N1=V1*ρ1*
Σ∆P1/η=2,3*0,301*219,72/0,7=217,3
- для переміщення холодного теплоносія
N2=V2*ρ2*Σ∆P2/η=2,9*0,748*1337,4/0,7=2858
Cписок використаної літератури
1. Безверхий П.А. Конструкторский расчет кожухотрубного рекуперативного 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 и теплопередача. – 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 к лабораторным 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.
|
