МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ»
(МГРИ)
Факультет технологии разведки и разработки
Кафедра механизации, автоматизации и энергетики горных и геологоразведочных работ
КУРСОВАЯ РАБОТА
По дисциплине: Теплотехника
На тему: Расчёт рекуперативного теплообменника
Вариант 9
Выполнил:
| студент группы ГМ-18
| (шифр группы)
| Иброхимзода Окилджон Хайдар
| (Ф.И.О.)
|
| (подпись, дата)
| Руководитель:
| профессор, д. т. н.
| (должность, учёная степень)
| Меркулов Михаил Васильевич
| (Ф.И.О.)
|
| (оценка)
|
| (подпись, дата)
| Москва, 2021 г.
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ»
(МГРИ)
Факультет технологии разведки и разработки
Кафедра механизации, автоматизации и энергетики горных и геологоразведочных работ
ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ Дисциплина: Теплотехника.
Тема: Расчёт рекуперативного теплообменника.
Выдано студенту Иброхимзода Окилджону Хайдару группы ГМ-18.
Краткое содержание работы:
Провести конструктивный тепловой расчёт водо-водяного рекуперативного теплообменника для подогрева подпитывающей воды котельной установки. Вычертить эскиз общего вида, указать на нём габаритные размеры теплообменника, нанести параметры теплоносителей и схему их движения. Составить техническую характеристику теплообменного аппарата с указанием его конструктивных и технических параметров (тепловой нагрузки, температур и расходов теплоносителей, площади, длины, диаметра труб и их числа).
Исходные данные:
Температура первичного теплоносителя на входе в теплообменник Т1 = 95°С. Температура вторичного теплоносителя на входе в теплообменник t1= 5°C. Температура вторичного теплоносителя на выходе из теплообменника t2 = 50°С. Тепловая нагрузка теплообменника Q = 125 кВт.
Рекомендуемая литература:
1. М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин «Теплотехника и техническая термодинамика»: учебное пособие – Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.
Руководитель:
| д. т. н.
| профессор
| ……...
| Меркулов Михаил Васильевич
| (учёная степень) (должность)
| (подпись)
| (Ф.И.О.)
| Принял к исполнению
| студент
| ……...
| Иброхимзода Окилджон Хайдар
|
|
|
| (подпись)
| (Ф.И.О.)
|
|
Решение Примем температуру воды на выходе из теплообменника первичного теплоносителя T2 = 60°С и определим среднюю температуру Tср и перепад температуры в теплообменнике ΔTпервичного теплоносителя, а также среднюю температуру tсри перепад температур Δt вторичного теплоносителя.
Зная тепловую нагрузку теплообменника, определим массовый расход вторичного теплоносителя, используя уравнение теплового баланса в следующем виде:
где – теплоёмкость вторичного теплоносителя, воды (при ).
Отсюда выведем и определим массовый расход вторичного теплоносителя:
Аналогично второму пункту найдём массовый расход первичного теплоносителя:
где – теплоёмкость первичного теплоносителя, воды (при , ).
Определим массовый расход первичного теплоносителя:
Далее определим площадь сечения газового коллектора, приняв скорость первичного теплоносителя по трубкам = 0,25 м/с:
где - объёмный расход первичного теплоносителя.
Зная массовый расход первичного ТН, можно определить его объёмный расход из следующего уравнения:
где - плотность воды при Tср (плотность воды при Tср = 77,5°С составит: - значение принято согласно рекомендациям из таблицы 1.2 стр. 162 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.).
Тогда:
Площадь сечения газового коллектора будет равна:
Согласно ГОСТ 33229-2015 «Трубы для котельного и теплообменного оборудования» в конструкции ТО будем использовать горячедеформированные трубы из углеродистой стали марки 10, ГОСТ 1050-2013 «Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия», с наружным диаметром dН = 0,028 м и толщиной стенки δСТ = 0,004 м, т.е. внутренний диаметр трубы составит dВ = dН -2 δСТ = 0,028 - 2 0,006 = 0,016 м.
Определяем число трубок в теплообменнике:
Для удобства расположения трубок по концентрическим окружностям в ТО примем их число n = 19 шт. (значение принято согласно рекомендациям из таблицы 1.1 стр. 22 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.).
Определяем диаметр корпуса теплообменника. Для этого воспользуемся следующей формулой:
где - относительный диаметр, м (для , - значение принято согласно рекомендациям из таблицы 1.1 стр. 22 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.), где - шаг трубок, м.); k – расстояние от края трубок до кожуха теплообменника (примем k = 0,01 м).
Найдём шаг трубок, отталкиваясь от следующего условия:
Тогда относительный диаметр будет равен:
Найдём диаметр корпуса теплообменника:
Определим сечение межтрубного пространства:
Определим скорость движения воды в межтрубном пространстве:
где - массовый расход вторичного ТН, (см. пункт 2); - плотность воды вторичного ТН (при , - значение принято согласно рекомендациям из таблицы 1.2 стр. 162 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.).
Тогда:
Рассчитаем величину критерия Рейнольдса для первичного и вторичного теплоносителей:
первичный ТН
где - скорость движения первичного ТН, (см. пункт 4); -внутренний диаметр труб ТО, (см. пункт 5); - коэффициент кинематической вязкости (при , - значение принято согласно рекомендациям из таблицы 1.2 стр. 162 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.).
Тогда:
вторичный ТН
- коэффициент кинематической вязкости (при , - значение принято согласно рекомендациям из таблицы 1.2 стр. 162 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.); - эквивалентный диаметр, м.
где - сечение межтрубного пространства, (см. пункт 7); - смачиваемы периметр межтрубного пространства, м.
Следовательно:
Тогда:
Определим режим течения теплоносителей и расчётные формулы критерия Нуссельта:
первичный ТН
- режим движения первичного теплоносителя (воды) турбулентный, критерий Нуссельта определяем по формуле 4 (формула принята согласно рекомендациям из таблицы 1.1 стр. 159 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.):
где - критерий Прандтля для первичного ТН (при , - значение принято согласно рекомендациям из таблицы 1.2 стр. 162 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.).
вторичный ТН
- режим движения вторичного теплоносителя (воды) ламинарный, для уточнения режима движения воды необходимо рассчитать критерий :
где - ускорение свободного падения ( ); – коэффициент температурного расширения воды при определяющей температуре t0; tС – температура стенки, ; - температура жидкости ( ); - эквивалентный диаметр, (см. пункт 9 (б)); - критерий Прандтля при определяющей температуре t0; - коэффициент кинематической вязкости воды при t0.
Определим температуру стенки из следующего выражения:
где – логарифмический перепад температур на теплообменнике, который, при противотоке, определяется следующим образом:
Тогда температура стенки будет равна:
Определим определяющую температуру из следующего выражения:
В результате, при , определим значения необходимых для дальнейших расчётов коэффициентов и критерия Прандтля, согласно рекомендациям из таблицы 1.2 стр. 162 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.
Таким образом для определяющей температуры :
- коэффициент температурного расширения воды;
- коэффициент кинематической вязкости воды;
- критерий Прандтля.
В результате, подставляя все необходимые параметры получаем:
Так как , то режим движения вторичного теплоносителя (воды) вязкостно-гравитационный, в качестве расчётной формулы для определения критерия Нуссельта примем уравнение 1 для горизонтальной трубы (формула принята согласно рекомендациям из таблицы 1.1 стр. 159 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.).
Определим коэффициенты теплоотдачи:
первичный ТН
где - критерий Прандтля для первичного ТН (при , (см. пункт 10 (а)).
Далее запишем формулу для расчёта коэффициента теплоотдачи первичного теплоносителя:
где – внутренний диаметр стенки, (см. пункт 5); - коэффициент теплопроводности первичного теплоносителя, (при , - значение принято согласно рекомендациям из таблицы 1.2 стр. 162 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.).
Тогда:
вторичный ТН
Запишем формулу для определения критерия Нуссельта для вторичного теплоносителя:
где – критерий Пекле при ; - эквивалентный диаметр, (см. пункт 9 (б)); - длина теплообменника (примем равным ); - коэффициент кинематической вязкости воды при , ; - коэффициент кинематической вязкости воды при , . (Коэффициенты кинематической вязкости взяты согласно рекомендациям из таблицы 1.2 стр. 162 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.).
Определим критерий Пекле из следующего уравнения:
где - скорость движения вторичного ТН, (см. пункт 8); - коэффициент температуропроводности воды при определяющей температуре (при , – значения принято согласно рекомендациям из таблицы 1.2 стр. 162 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.).
Тогда:
Следовательно, критерий Нуссельта для вторичного теплоносителя будет равен:
Зная критерий Нуссельта для вторичного теплоносителя, определим его коэффициент теплоотдачи:
где - коэффициент теплопроводности вторичного теплоносителя, (при , - значение принято согласно рекомендациям из таблицы 1.2 стр. 162 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.).
Тогда:
Определим коэффициент теплопередачи:
где - толщина стенки трубы, (см. пункт 5); - коэффициент теплопроводности стали (для углеродистой стали марки 10 примем ).
Тогда:
Найдём площадь теплообмена:
где - тепловая нагрузка теплообменника, – по исходным данным для расчёта ТО; - логарифмический перепад температур на теплообменнике (см. пункт 10 (б)).
Рассчитаем длину труб теплообменника:
где – наружный диаметр труб (см. пункт 5), ; - число труб в теплообменнике, (см. пункт 5).
Тогда:
Длина труб, принятая ранее в пункте 11, не совпадает с полученной. Корректировка длины при определении критерия Нуссельта для воды приведёт к изменению коэффициента теплопередачи менее, чем на 10%, поэтому пересчёт проводить не требуется.
Проверочный расчёт Определим водяные эквиваленты обоих теплоносителей:
Первичный ТН
где – теплоёмкость первичного теплоносителя (воды) (при , ); - массовый расход первичного теплоносителя (см. пункт 3), .
Вторичный ТН
где – теплоёмкость первичного теплоносителя (воды) (при , ); - массовый расход вторичного теплоносителя (см. пункт 3), .
Отношение водяных эквивалентов:
Определим значение коэффициента Z (значение принято согласно рекомендациям из таблицы 1.4 стр. 163 учебного пособия для студентов геологоразведочных вузов, Теплотехника и техническая термодинамика / М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин; Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.), Z = 0,3846.
Проверка выбранных в расчёте температур:
Первичный ТН
Вторичный ТН
Принятое в расчёте произвольное значение температуры не отличается более, чем на 20% от полученных в проверочном расчёте, поэтому расчёт теплообменника выполнен верно.
Конструктивные размеры теплообменника и его основные параметры
Рисунок 1. Схематическое изображение теплообменника.
№ п/п
| Параметр
| Размерность
| Значение
| 1
| Тепловая мощность ТО
| кВт
| 125
| 2
| Площадь теплообмена
| м2
| 5,86
| 3
| Расход первичного ТН
| кг/с
| 0,85
| 4
| Расход вторичного ТН
| кг/с
| 0,66
| 5
| Температура на входе ТО:
|
| -
| -
| первичного ТН
|
| 95
| -
| вторичного ТН
|
| 5
| 6
| Температура на выходе:
|
|
|
| первичного ТН
|
| 60
|
| вторичного ТН
|
| 50
| 7
| Число труб
| шт.
| 19
| 8
| Наружный диаметр труб
| мм
| 0,028
| 9
| Толщина стенки труб
| мм
| 0,006
| 10
| Габаритные размеры ТО
| мм
| 5000х188
| Список литературы М. В. Меркулов, В. А. Косьянов, А. Ю. Башкуров, С. В. Головин, Теплотехника и техническая термодинамика: учебное пособие. – Рязань: Издательство ООО «Полиграфия», 2017. – 166 с.
|