Реферат: Розрахунок газоповітряного рекуператора

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, %

r_CO2 ……………………………………………………………………13,0

r_H2O ………………………………………………………...……….......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=15^o C, t= 400 ^o C, то можна підрахувати на скільки нагрівся холодний теплоносій Dt₂ = t-t=400–15=385^o 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))=777,87^о 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)=913,94^о 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=250^о 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=250^о 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 Nu_ж1 .

За початковими даними димові гази рухаються в між трубному просторі всередині труб, тому використовується рівняння (2.15).

ОскількиRe _{ж1 =} 1396,4знаходиться в межах Re_ж <2320, то це ламінарнийрежим тому

для шахових пучків труб С =0,41; n =0,60; m=0,1

.

Значення Pr_ст для газів мало відрізняється відPr_ж1 , 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 Nu_ж1 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 Re_ж2 для холодного теплоносія:

Re_ж2 = W2*dзов/ νж2=10,557*0,024/30,11*10^-6=8414,7

1.2.10 Визначення Nu_ж2 .

Оскільки холодний теплоносій рухається зовні труб, то для визначення Nu _ж2 тежвикористовується рівняння (2.15).

Визначальною температурою є t₂ , а визначальним розміром з_в .

Оскільки Re_ж2 =8414,7 знаходиться в межах 2320<Rе_ж2 <10000, то це перехідний процес і

- для шахових пучків труб С =0,41; n =0,60m=0.

Значення Pr_ст для газів мало відрізняється відPr_ж2 , 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 ;d_вн= 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 ; d_в =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 С_s =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, С_S, С_d – знаходять за номограмами, наведеними в дод. 13, при цьому швидкість потоку приймають у вузькому перерізі пучка при середній температурі потоку;

С_{S =0,5} С_{d =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.