Курсовая работа
по дисциплине “Тепломассообмен”
Сумы 2009
Содержание
1. Термодинамический расчет
2. Определение теплофизических свойств теплоносителей
3. Предварительная компоновка теплообменной системы
4. Гидродинамический расчёт
5. Расчёт теплопередачи после оребрения
Список литературы
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 t определяется 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.
,
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 | |
| характерная температура газа на выходе из экономайзера | 
| ˚С | 174,11 |
| характерная температура воды на входе в экономайзер | 
| ˚С | |
| характерная температура воды на выходе из экономайзера | 
| ˚С | |
| характерное давление на входе | p1 | бар | |
| характерное давление на выходе | p2 | бар | |
| большая разность температур | 
| ˚С | 84,11 |
| меньшая разность температур | 
| ˚С | |
| 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.
| 
| 
| 
| 
|
| 
| 
| 
| |
| 
| 
| 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 |
|
| |
| Теплоёмкость воды |
|
| 4,313 |
| Коэффициент теплопроводности воды |
|
|
|
| Кинематическая вязкость воды |
|
|
|
| Динамическая вязкость воды |
|
|
|
| Число Прандтля для воды |
| _ | 1,17 |
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).
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 .
.
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 | _ | |
| Среднерасходная скорость воды на выходе | 
| м/с | 0,23 |
| Длина газохода | L | м | |
| Ширина газохода | B | м | |
| Число рядов труб | n1 | - | |
| 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 |