теплотехника. КР .docx04. Курсовая работа по дисциплине Теплотехника

• Название: Курсовая работа по дисциплине Теплотехника
• Анкор: теплотехника
• Дата: 30.05.2022
• Размер: 103.34 Kb.
• Имя файла: КР .docx04.docx
• Тип: Курсовая; #557909

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Уфимский государственный нефтяной технический университет


Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

Курсовая работа

по дисциплине «Теплотехника»

Выполнил студент гр. БГБ 19-01 Кузнецов В.О.
Проверил Хафизов Ф.М.

Уфа

2021
ЗАДАНИЕ ДЛЯ ПЕРВОГО РАЗДЕЛА КУРСОВОЙ РАБОТЫ

1 кг газовой смеси в распределительной газовой сети (в емкости хранения сжиженных нефтяных газов, в газовом пространстве резервуара для нефти) в зависимости от состава совершает термодинамические процессы от состояния 1 до состояния 2 с показателями.

Объем газовой смеси во всех процессах изменяется в раз.

Смесь обладает свойствами идеального газа.

Начальное (в состоянии 1) давление.

Определить основные параметры газовой смеси в состоянии 1 и состоянии 2, изменение внутренней энергии, энтальпии, энтропии смеси, работу, внешнюю теплоту процесса, коэффициент распределения энергии в процессах.

Исходные данные для варианта 04 принять по двум последним цифрам шифра зачетной книжки по табл. 2 и 3.

1. 
   Обработка исходных данных для газовой смеси.
   
   1. 
      Смесь состоит из пяти индивидуальных газов. Нужно для каждого газа записать молярную массу. Данные имеются в пособии на стр. 58. Можно принимать округленно. Например, для метана μ(СН₄)=16 г/моль (в таблице 16,04 г/моль).
      
   2. 
      Определить объемные доли компонентов смеси. Для этого переводим объемную концентрацию из процентов в доли (делением на 100). Например, V_СН4=80%, объемная доля - 0,8.
      
   3. 
      Определить молярную массу газовой смеси по формуле, г/моль
      

=12*3+1*8=44 г/моль

=12*4+1*10=58 г/моль

12*5+1*12=72 г/моль

=12*6+1*14=86 г/моль

=28,96 г/моль
44*0.0002+58*0.1+72*0.088+86*0.01+29*0.80=36.20 г/моль

4. 
   Газовая постоянная смеси рассчитывается по формуле, кДж/(кг∙°С)
   

R_см =8,314/μ_см
Rсм =8,314/36.20=0.23 кДж/(кг∙°С)

5. 
   Массовые доли компонентов газовой смеси определятся для каждого из пяти газов
   

64
Сумма массовых долей должна быть равна единице.

6. 
   Начальный объем газовой смеси
   

где Т₁ абсолютная температура в градусах Кельвина.

7. 
   Конечный объем газовой смеси одинаков для всех процессов
   

V2 = V1 ∙ ε,

=0,56 Л
где ε – степень сжатия – из исходных данных.

2. 
   Расчет процессов.
   
   1. 
      Расчет изобарного процесса
      
      1. 
         Показатель политропы
         

n₁=0

2. 
   Давление в конце процесса, Па
   

P₂=P₁ =140КПа

3. 
   Температура в конце процесса, К
   

Т₂= Т₁∙ ε

Т₂=(37+273)*1,1=341К

4. 
   Средняя температура, К
   

Т_ср=(Т₁+Т₂)/2

Т_ср=(341+310)/2=325,5К

Или в градусах Цельсия

t_ср= Т_ср – 273,15

t_ср=325,5-273,15=52,35

5. 
   Средние массовые теплоемкости компонентов при постоянном давлении Ср_срi при средней температуре определяются для каждого из пяти газов.
   

Для углеводородных газов (метан, этан, пропан и т.д.) по графикам из пособия (рисунки 1.14 – 1.19) по температуре в градусах Кельвина..

Для неуглеводородных газов (воздух, азот, кислород и т.д.) рассчитывается по формулам из Приложения 1.1 практического пособия. Например, для воздуха по формуле вначале определяется мольная теплоемкость

,

, для воздуха
где t = t_ср – средняя температура из предыдущего пункта, °С.

Затем рассчитывается массовая теплоемкость воздуха делением мольной теплоемкости воздуха на молярную массу воздуха



кДж/(кг∙°С)

кДж/(кг∙°С)

кДж/(кг∙°С)

кДж/(кг∙°С)

кДж/(кг∙°С)

6. 
   Средняя массовая теплоемкость газовой смеси при постоянном давлении, кДж/(кг∙°С)
   

=1,86*0.0002+1,88*0.1+1,9*0.088+1,97*0.01+1,002*0.80=1,18 кДж/(кг∙°С)

где m_i - массовые доли из п. 1.5.

7. 
   Средняя массовая теплоемкость газовой смеси при постоянном объеме, кДж/(кг∙°С)
   

=1,18-0,23=0,95 кДж/(кг∙°С)

8. 
   Показатель адиабаты k
   

9. 
   Термодинамическая работа процесса , кДж/кг
   

l= P₁ ∙ (V₂-V₁)

l= 140 ∙ (0,56-0,51) = 7



кДж/кг

10. 
    Изменение внутренней энергии, кДж/кг
    

Δu = C_{v см} ∙(T₂-Т₁)

Δu =0,95*(341-310)=29,45 кДж/кг

11. 
    Изменение энтальпии, кДж/кг
    

Δh = C_{p см} ∙(T₂-Т₁)

Δh=1,18*(341-310)=36,58 кДж/кг

12. 
    Средняя массовая политропная теплоемкость процесса, кДж/(кг∙°С)
    

=1,18кДж/(кг∙°С)

13. 
    Теплота процесса, кДж/кг
    

q = Δh

q=36,58 кДж/кг

14. 
    Изменение удельной энтропии процесса, кДж/(кг ∙°С)
    

=1,18* кДж /(кг ∙°С)

2. 
   Расчет политропного процесса с n₂
   
   1. 
      Показатель политропы
      

n=n₂=0,20

2. 
   Давление в конце процесса, Па
   

па

3. 
   Температура в конце процесса, К
   

Т₂= Т_1/ ε^(n-1)

Т₂₌

4. 
   Средняя температура, К
   

Т_ср=(Т₁+Т₂)/2

Т_ср=(334,6+310)/2=322,3К

Или в градусах Цельсия

t_ср= Т_ср – 273,15

t_ср=322,3-273,15=49,15

5. 
   Средние массовые теплоемкости компонентов при постоянном давлении Ср_срi при средней температуре определяются для каждого из пяти газов.
   

Для углеводородных газов (метан, этан, пропан и т.д.) по графикам из пособия (рисунки 1.14 – 1.19) по температуре в градусах Кельвина..

Для не углеводородных газов (воздух, азот, кислород и т.д.) рассчитывается по формулам из Приложения 1.1 практического пособия. Например, для воздуха по формуле вначале определяется мольная теплоемкость

,

, для воздуха
где t = t_ср – средняя температура из предыдущего пункта, °С.

Затем рассчитывается массовая теплоемкость воздуха делением мольной теплоемкости воздуха на молярную массу воздуха



кДж/(кг∙°С)

кДж/(кг∙°С)

кДж/(кг∙°С)

кДж/(кг∙°С)

кДж/(кг∙°С)

6. 
   Средняя массовая теплоемкость газовой смеси при постоянном давлении, кДж/(кг∙°С)
   

=1,77*0.0002+1,80*0.1+1,82*0.088+1,90*0.01+1,001*0.8=1,16кДж/(кг∙°С)

где m_i - массовые доли из п. 1.5.

7. 
   Средняя массовая теплоемкость газовой смеси при постоянном объеме, кДж/(кг∙°С)
   

=1,16-0,23=0,93 кДж/(кг∙°С)

8. 
   Показатель адиабаты k
   

9. 
   Термодинамическая работа процесса , кДж/кг
   

l= P₁ ∙ (V₂-V₁)

l= 140 ∙ (0,56-0,51)=7

10. 
    Изменение внутренней энергии, кДж/кг
    

Δu = C_{v см} ∙(T₂-Т₁)

Δu =0,93*(334,6-310)=28,83 кДж/кг

11. 
    Изменение энтальпии, кДж/кг
    

Δh = C_{p см} ∙(T₂-Т₁)

Δh=1,16*(322,3-310)=35,96кДж/кг

12. 
    Средняя массовая политропная теплоемкость процесса, кДж/(кг∙°С)
    

=1,16кДж/(кг∙°С)

13. 
    Теплота процесса, кДж/кг
    

q = Δh

q=35,96 кДж/кг

14. 
    Изменение удельной энтропии процесса, кДж/(кг ∙°С)
    

=1,16* кДж/(кг ∙°С)

3. 
   Расчет политропного процесса с n₂
   
   1. 
      Показатель политропы
      

n=n₃ =1,0

2. 
   Давление в конце процесса, Па
   

па

3. 
   Температура в конце процесса, К
   

Т₂= Т_1/ ε^(n-1)

Т₂₌

4. 
   Средняя температура, К
   

Т_ср=(Т₁+Т₂)/2

Т_ср=(310+310)/2=310К

Или в градусах Цельсия

t_ср= Т_ср – 273,15

t_ср=310-273,15=36,85

5. 
   Средние массовые теплоемкости компонентов при постоянном давлении Ср_срi при средней температуре определяются для каждого из пяти газов.
   

Для углеводородных газов (метан, этан, пропан и т.д.) по графикам из пособия (рисунки 1.14 – 1.19) по температуре в градусах Кельвина..

Для не углеводородных газов (воздух, азот, кислород и т.д.) рассчитывается по формулам из Приложения 1.1 практического пособия. Например, для воздуха по формуле вначале определяется мольная теплоемкость

,

, для воздуха

где t = t_ср – средняя температура из предыдущего пункта, °С.

Затем рассчитывается массовая теплоемкость воздуха делением мольной теплоемкости воздуха на молярную массу воздуха



кДж/(кг∙°С)

кДж/(кг∙°С)

кДж/(кг∙°С)

кДж/(кг∙°С)

кДж/(кг∙°С)

6. 
   Средняя массовая теплоемкость газовой смеси при постоянном давлении, кДж/(кг∙°С)
   

=1,71*0.0002+1,75*0.1+1,78*0.088+1,85*0.01+0,999*0.8=1,15кДж/(кг∙°С)

где m_i - массовые доли из п. 1.5.

7. 
   Средняя массовая теплоемкость газовой смеси при постоянном объеме, кДж/(кг∙°С)
   

=1,15-0,23=0,92 кДж/(кг∙°С)

8. 
   Показатель адиабаты k
   

9. 
   Термодинамическая работа процесса , кДж/кг
   

l= P₁ ∙ (V₂-V₁)

l= 140 ∙ (0,56-0,51)=7

10. 
    Изменение внутренней энергии, кДж/кг
    

Δu = C_{v см} ∙(T₂-Т₁)

Δu =0,93*(310-310)=0 кДж/кг

11. 
    Изменение энтальпии, кДж/кг
    

Δh = C_{p см} ∙(T₂-Т₁)

Δh=1,15*(310-310)=0 кДж/кг

12. 
    Средняя массовая политропная теплоемкость процесса, кДж/(кг∙°С)
    

=1,15кДж/(кг∙°С)

13. 
    Теплота процесса, кДж/кг
    

q = Δh

q=l=7кДж/кг

14. 
    Изменение удельной энтропии процесса, кДж/(кг ∙°С)
    

=1,15*

4. 
   Расчет политропного процесса с n₄
   
   1. 
      Показатель политропы
      

n=n₄ =1,10

2. 
   Давление в конце процесса, Па
   

па

3. 
   Температура в конце процесса, К
   

Т₂= Т_1/ ε^(n-1)

Т₂₌

4. 
   Средняя температура, К
   

Т_ср=(Т₁+Т₂)/2

Т_ср=(307+310)/2=309К

Или в градусах Цельсия

t_ср= Т_ср – 273,15

t_ср=308.5-273,15=35.4

5. 
   Средние массовые теплоемкости компонентов при постоянном давлении Ср_срi при средней температуре определяются для каждого из пяти газов.
   

Для углеводородных газов (метан, этан, пропан и т.д.) по графикам из пособия (рисунки 1.14 – 1.19) по температуре в градусах Кельвина..

Для неуглеводородных газов (воздух, азот, кислород и т.д.) рассчитывается по формулам из Приложения 1.1 практического пособия. Например, для воздуха по формуле вначале определяется мольная теплоемкость

,

, для воздуха

где t = t_ср – средняя температура из предыдущего пункта, °С.

Затем рассчитывается массовая теплоемкость воздуха делением мольной теплоемкости воздуха на молярную массу воздуха



кДж/(кг ∙°С)

кДж/(кг ∙°С)

кДж/(кг ∙°С)

кДж/(кг ∙°С)

кДж/(кг ∙°С)

6. 
   Средняя массовая теплоемкость газовой смеси при постоянном давлении, кДж/(кг∙°С)
   

=1,7*0.0002+1,73*0.1+1,76*0.088+1,83*0.01+0,998*0.80=1,14кДж/(кг∙°С)

где m_i - массовые доли из п. 1.5.

7. 
   Средняя массовая теплоемкость газовой смеси при постоянном объеме, кДж/(кг∙°С)
   

=1,14-0,23=0,91 кДж/(кг∙°С)

8. 
   Показатель адиабаты k
   

9. 
   Термодинамическая работа процесса , кДж/кг
   

l= P₁ ∙ (V₂-V₁)

l= 140 ∙ (0,56-0,51)=7

10. 
    Изменение внутренней энергии, кДж/кг
    

Δu = C_{v см} ∙(T₂-Т₁)

Δu =0,91*(307-310)=-2.73 кДж/кг

11. 
    Изменение энтальпии, кДж/кг
    

Δh = C_{p см} ∙(T₂-Т₁)

Δh=1,14*(307-310)=-3.42кДж/кг

12. 
    Средняя массовая политропная теплоемкость процесса, кДж/(кг∙°С)
    

=1,14кДж/(кг∙°С)

13. 
    Теплота процесса, кДж/кг
    

q = Δh

q=-2.73кДж/кг

14. 
    Изменение удельной энтропии процесса, кДж/(кг ∙°С)
    

=1,14*

5. 
   Расчет политропного процесса с n₅
   
   1. 
      Показатель политропы
      

n=n₅ =k=1.25

2. 
   Давление в конце процесса, Па
   

па

3. 
   Температура в конце процесса, К
   

Т₂= Т_1/ ε^(n-1)

Т₂₌

4. 
   Средняя температура, К
   

Т_ср=(Т₁+Т₂)/2

Т_ср=(302.7+310)/2=306.4К

Или в градусах Цельсия

t_ср= Т_ср – 273,15

t_ср=306.4-273,15=33.2

5. 
   Средние массовые теплоемкости компонентов при постоянном давлении Ср_срi при средней температуре определяются для каждого из пяти газов.
   

Для углеводородных газов (метан, этан, пропан и т.д.) по графикам из пособия (рисунки 1.14 – 1.19) по температуре в градусах Кельвина..

Для неуглеводородных газов (воздух, азот, кислород и т.д.) рассчитывается по формулам из Приложения 1.1 практического пособия. Например, для воздуха по формуле вначале определяется мольная теплоемкость

,

, для воздуха

где t = t_ср – средняя температура из предыдущего пункта, °С.

Затем рассчитывается массовая теплоемкость воздуха делением мольной теплоемкости воздуха на молярную массу воздуха



кДж/ (кг ∙°С)

кДж/ (кг ∙°С)

кДж/ (кг ∙°С)

кДж/ (кг ∙°С)

кДж/ (кг ∙°С)

6. 
   Средняя массовая теплоемкость газовой смеси при постоянном давлении, кДж/(кг∙°С)
   

=1,7*0.0002+1,72*0.1+1,74*0.088+1,82*0.01+0,992*0.80=1,11кДж/(кг∙°С)

где m_i - массовые доли из п. 1.5.

7. 
   Средняя массовая теплоемкость газовой смеси при постоянном объеме, кДж/(кг∙°С)
   

=1,11-0,23=0,88 кДж/(кг∙°С)

8. 
   Показатель адиабаты k
   

9. 
   Термодинамическая работа процесса , кДж/кг
   

l= P₁ ∙ (V₂-V₁)

l= 140 ∙ (0,56-0,51)=7

10. 
    Изменение внутренней энергии, кДж/кг
    

Δu = C_{v см} ∙(T₂-Т₁)

Δu =0,88*(306-310)=-3.52кДж/кг

11. 
    Изменение энтальпии, кДж/кг
    

Δh = C_{p см} ∙(T₂-Т₁)

Δh=1,11*(306-310)=-4.44 кДж/кг

12. 
    Средняя массовая политропная теплоемкость процесса, кДж/(кг∙°С)
    

=1,11кДж/(кг∙°С)

13. 
    Теплота процесса, кДж/кг
    

q = Δh

q=-4.44кДж/кг

14. 
    Изменение удельной энтропии процесса, кДж/(кг ∙°С)
    

15. 
    =1,11* кДж/(кг ∙°С)
    

Часть 2

«Тепловой расчет теплообменного аппарата»

Конструктивный тепловой расчёт ТОА

Дано: , , , ;
Мазут: , , , , ;
Вода: , , .

1. Тепловая мощность, полученная холодным теплоносителем, кВт



2. Построение графиков изменения температуры теплоносителей по длине аппарата:





3. Температурные напоры для прямотока и противотока рассчитываются по формулам, °С

Так как : , то по среднелогарифмической формуле

.

4. Изменение температуры по длине аппарата, °С

;

.

5. Средние температуры горячего и холодного теплоносителей, °С

;

.

6. Физические свойства горячего и холодного теплоносителя определяются при средней температуре теплоносителей.

Горячий теплоноситель

Значения при средней температуре t₁°С:

средняя плотность ;

коэффициент теплопроводности ;

удельная теплоёмкость ;

кинематическая вязкость ;

коэффициент объёмного расширения ;

число Прандтля .

Холодный теплоноситель

Значения при средней температуре t₂°С:

средняя плотность ;

коэффициент теплопроводности ;

удельная теплоёмкость ;

кинематическая вязкость ;

коэффициент объёмного расширения ;

число Прандтля .

7. Проходные сечения для горячего и холодного теплоносителей, м². Для горячего – площадь межтрубного пространства



для холодного - площадь сечения трубок



8. Скорости движения теплоносителей, м/с





9. Эквивалентные диаметры, м

;



10. Число Рейнольдса для горячего и холодного теплоносителя:





11. Температурный напор между жидкостью и стенкой, °С, рассчитывается, если Re<2300:



12. Числа Грасгофа для теплоносителей рассчитываются, если Re<2300:



13. Задаемся температурой стенки (в первом приближении):



14. Физические свойства горячего и холодного теплоносителя при температуре стенки t_ст.

Горячий теплоноситель

Значения параметров при температуре стенки t_ст :

средняя плотность ;

коэффициент теплопроводности ;

удельная теплоёмкость ;

кинематическая вязкость ;

коэффициент объёмного расширения ;

число Прандтля .

Холодный теплоноситель

Значения параметров при температуре стенки t_ст :

средняя плотность ;

коэффициент теплопроводности ;

удельная теплоёмкость ;

кинематическая вязкость ;

коэффициент объёмного расширения ;

число Прандтля .

15. Определим режимы течения и выберем формулу и рассчитаем число Нуссельта для горячего и холодного теплоносителей.

Уравнение подобия при вынужденном течении однофазного теплоносителя по трубам и каналам имеет вид:

при ламинарном вязкостном течении (Re_ж,d < 2300, Gr_ж,d·Pr _ж < 8·10⁵)



при переходном течении (Re_ж,d = 2300…10⁴)



16. Коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителей, Вт/(м²∙°С)





17. Коэффициенты теплопередачи, Вт/(м²∙°С)

Толщина стенки трубок:



.



18. Определим площадь поверхности теплообмена, м²

для противотока



19. Плотность теплового потока (для противотока), Вт/м²



20. Полученная температура стенки (для противотока), °С



21. Полученная температура стенки отличается от заданной более, чем на 5 °С, приняв новую температуру стенки, равную полученной ( ), возвращаемся в пункт 13 для уточнения расчета.


21.13. Задаемся температурой стенки:



21.14. Физические свойства горячего и холодного теплоносителя при температуре стенки t_ст.

Горячий теплоноситель

Значения параметров при температуре стенки t_ст :

средняя плотность ;

коэффициент теплопроводности ;

удельная теплоёмкость ;

кинематическая вязкость ;

коэффициент объёмного расширения ;

число Прандтля .

Холодный теплоноситель

Значения параметров при температуре стенки t_ст :

средняя плотность ;

коэффициент теплопроводности ;

удельная теплоёмкость ;

кинематическая вязкость ;

коэффициент объёмного расширения ;

число Прандтля .

21.15. Определим режимы течения и выберем формулу и рассчитаем число Нуссельта для горячего и холодного теплоносителей.

Уравнение подобия при вынужденном течении однофазного теплоносителя по трубам и каналам имеет вид:

при ламинарном вязкостном течении (Re_ж,d < 2300, Gr_ж,d·Pr _ж < 8·10⁵)



при переходном течении (Re_ж,d = 2300…10⁴)



21.16. Коэффициенты теплоотдачи для горячего и холодного теплоносителей, Вт/(м²∙°С)





21.17. Коэффициенты теплопередачи, Вт/(м²∙°С)

Толщина стенки трубок:







21.18. Определим площадь поверхности теплообмена, м²

для противотока



21.19. Плотность теплового потока (для противотока), Вт/м²



21.20. Полученная температура стенки (для противотока), °С



22. Средняя площадь теплообмена для одного погонного метра пучка труб ТОА



23. Суммарная длина пучка определяется для противотока и прямотока, а также с накипью и без накипи (рассчитываются 4 длины)



24. Определяются число секций теплообменного аппарата. Строится эскиз аппарата для варианта с наибольшим числом секций.





ЛИТЕРАТУРА

1. 
   Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1980. – 469 с.
   
2. 
   Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. – М.: Энергия, 1975. – 488 с.
   
3. 
   Болгарский А.В., Мухачев Г.А., Щукин В.К. Термодинамика и теплопередача. – М.: Высшая школа, 1964. – 459 с.
   
4. 
   Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1977. – 344 с.
   
5. 
   Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. – М.: Энергия, 1969. – 254 с.
   
6. 
   Левин В.М., Шубин Е.П. Теплообменные аппараты систем теплоснабжения. – М.: Энергия, 1965. – 272 с.
   
7. 
   Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. – М.: Госэнергоиздат, 1959. – 244 с.
   
8. 
   Расчеты основных процессов и аппаратов нефтепереработки: Справочник / Г.Г. Рабинович, П.М. Рябых, П.А. Хохряков и др. / Под ред. Е.Н. Судакова. – М.: Химия, 1979. – 568 с.