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, ^оС ………......... 1050

4. Початкова температура холодного теплоносія, ^оС …….…….15

5. Кінцева температура холодного теплоносія, ^оС ………………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 ^oC, ^oC, то значення об'ємної вибраної теплоємності холодного носія, середньої в інтервалі температур від до визначаємо за формулою (2.2)

.

Для ^оС, 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^oC, t= 400 ^oC, то можна підрахувати на скільки нагрівся холодний теплоносій Dt₂ = t-t=400–15=385^oC.

За початковими даними температурагарячого теплоносія на вході 1050°С. Dt₁=385-385·0,15=327,25 ^oC, 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/(м³К)

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 Н₂О, кДж/(м³К)

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/(м³К)

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, ^оС.

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^оС.

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^оС

T1=t1+273,15=913,94+273,15=1187,09 ^оС

1.2.2. Середня температура холодного теплоносія і Т₂, К

t2=1/2*(t`2+t``2)=1/2*(15+400)=207,5 ^оС

T2=t2+273,15=207,5+273,15=480,65 ^оС

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 ^оС визначимо значення решти фізичних параметрів гарячого теплоносія, використовуючи дод. 6:

а) коефіцієнт кінематичної в’язкості

t=900 ^оС→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 ^оС→λж=10*10^-2

t=1000 ^оС → λж =10,90*10^-2

λж1=10+((10,90-10)/100)*13,94=10,125*10^-2

в) число Прандтля

t=900 ^оС→Prж=0,59

t=1000 ^оС → Prж=0,58

Prж1=0,59+((0,58-0,59)/100))13,94=0,588

Для холодного теплоносія при t2=207,5 ^оС, використовуючи дод.7:

а) коефіцієнт кінематичної в’язкості, м²/с

t=200 ^оС → νж=34,85*10^-6

t=250 ^оС → 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 ^оС →λж=3,93*10^-2

t=250^оС →λж=4,27*10^-2

λж2=3,93+((4,27-3,93)/50*7,5)=3,981

в) число Прандтля

t=200 ^оС →Prж=0,680

t=250^оС →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 ^оС

Tст= tст+273,15=353,22+273,15=626,37 ^оС

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_стдля газів мало відрізняється відPr_ж1, тому можна вважати, що.

Nu _ж1= 0,41*1396,4^0,60*0,588^0,36*1=26,11

1.2.8 За числом Nu_ж1знаходимо конвективний коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м²К)

α1к= Nu _ж1* 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_стдля 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/(м²К)

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/(м²К)

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 ^оС

T ст1= tст1+273,15=1001,09K

tст2=((0,5654+0,0476)*1120,84)/1,613=425,96 ^оС

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 ^оС

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 ходуb. 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 ^оС =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 ^оС= 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.