Курсовая работа по теплотехнике на тему: Расчёт реуперативного теплообменника. КР_Иброхимзода_GM-18_var№9. Расчёт рекуперативного теплообменника

• Название: Расчёт рекуперативного теплообменника
• Анкор: Курсовая работа по теплотехнике на тему: Расчёт реуперативного теплообменника
• Дата: 01.10.2022
• Размер: 118.04 Kb.
• Имя файла: КР_Иброхимзода_GM-18_var№9.docx
• Тип: Курсовая; #708100

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:

1. 
   Провести конструктивный тепловой расчёт водо-водяного рекуперативного теплообменника для подогрева подпитывающей воды котельной установки.
   
2. 
   Вычертить эскиз общего вида, указать на нём габаритные размеры теплообменника, нанести параметры теплоносителей и схему их движения.
   
3. 
   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:

1. 
   Температура первичного теплоносителя на входе в теплообменник Т₁ = 95°С.
   
2. 
   Температура вторичного теплоносителя на входе в теплообменник t₁= 5°C.
   
3. 
   Температура вторичного теплоносителя на выходе из теплообменника t₂ = 50°С.
   
4. 
   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

1. 
   Примем температуру воды на выходе из теплообменника первичного теплоносителя T₂ = 60°С и определим среднюю температуру T_ср и перепад температуры в теплообменнике ΔTпервичного теплоносителя, а также среднюю температуру t_сри перепад температур Δt вторичного теплоносителя.
   

2. 
   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:

3. 
   Аналогично второму пункту найдём массовый расход первичного теплоносителя:
   

где – теплоёмкость первичного теплоносителя, воды (при , ).

Определим массовый расход первичного теплоносителя:

4. 
   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 T_ср (плотность воды при T_ср = 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:

5. 
   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 d_Н = 0,028 м и толщиной стенки δ_СТ = 0,004 м, т.е. внутренний диаметр трубы составит d_В = d_Н -2 δ_СТ = 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.).

6. 
   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:

7. 
   Определим сечение межтрубного пространства:
   

8. 
   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:

9. 
   Рассчитаем величину критерия Рейнольдса для первичного и вторичного теплоносителей:
   

1. 
   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:

2. 
   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:

10. 
    Определим режим течения теплоносителей и расчётные формулы критерия Нуссельта:
    

1. 
   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.).

2. 
   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; t_С – 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.).

11. 
    Определим коэффициенты теплоотдачи:
    

1. 
   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:

2. 
   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:

12. 
    Определим коэффициент теплопередачи:
    

где - толщина стенки трубы, (см. пункт 5); - коэффициент теплопроводности стали (для углеродистой стали марки 10 примем ).

Тогда:

13. 
    Найдём площадь теплообмена:
    

где - тепловая нагрузка теплообменника, – по исходным данным для расчёта ТО; - логарифмический перепад температур на теплообменнике (см. пункт 10 (б)).

14. 
    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

15. 
    Определим водяные эквиваленты обоих теплоносителей:
    

1. 
   Первичный ТН
   

где – теплоёмкость первичного теплоносителя (воды) (при , ); - массовый расход первичного теплоносителя (см. пункт 3), .

3. 
   Вторичный ТН
   

где – теплоёмкость первичного теплоносителя (воды) (при , ); - массовый расход вторичного теплоносителя (см. пункт 3), .

16. 
    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.

17. 
    Проверка выбранных в расчёте температур:
    

1. 
   Первичный ТН
   

3. 
   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

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.