Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Брянский государственный инженерно-технологический университет» Кафедра «Строительное производство» ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА к курсовой работе по дисциплине «Проектирование и производство работ по монтажу систем теплоснабжения» Проектирование и расчет теплообменного оборудования систем теплоснабжения КР - 02068025-08.03.01-154.24 Автор работы ___________ Группа ТГСВ-301 А. А. Плющев № зачетной книжки: 20.8-154 Руководитель работы _________ канд. техн. наук, доц. Е. А. Горюнова Нормоконтроль __________ канд. техн. наук, доц. Е. А. Горюнова Допуск к защите «_» ___ 2024 г. ______ канд. техн. наук, доц. Е. А. Горюнова Дата защиты «__» __ 2024 г. Члены комиссии Оценка: ____________ ___________ канд. техн. наук, доц. Е. А. Горюнова ___________ канд. техн. наук, проф. Н. А. Курбатская ___________ старший преподаватель М. В. Ботаговский Брянск 2024 Содержание Введение ...................................................................................................................... 3 1.Анализ конструкций теплообменных аппаратов ................................................. 4 2 Расчет теплопроводности через многослойную плоскую стенку .................... 16 3 Расчет характеристик цикла теплового двигателя ............................................. 19 4.Тепловой расчет горизонтального секционного кожухотрубного водоводяного подогревателя ........................................................................................... 23 Заключение ................................................................................................................ 31 Список использованных источников ...................................................................... 32 КР - 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Разработал Руководитель Норм.контроль Лист №док. Подпись Дата Плющев А. А. Горюнова Е. А. Горюнова Е. А. Утвердил Горюнова Е. А. Пояснительная записка к курсовой работе Стадия Лист У 2 БГИТУ Листов 33 Введение Теплообменные аппараты и установки широко используются во всех отраслях промышленности. Назначение, области применения и конструктивное оформление их весьма разнообразны. Они предназначены для увеличения экономичности энергетического оборудования, повышения его надёжности, обеспечения технологических процессов. Создание современных конструкций теплообменных аппаратов должно соответствовать требованиям эргономики и технической эстетики, позволяющим наиболее полно удовлетворять запросы обслуживающего персонала, максимально обеспечивать благоприятные условия эксплуатации. При написании курсовой работы были поставлены следующие цели: 1) Произвести анализ основных групп теплообменных аппаратов: по принципу действия, конструктивным особенностям, виду теплоносителя, материалу изготовления и т. д. 2) Выполнить расчет теплопроводности через многослойную стенку в теплообменном аппарате с графическим отражением достоверности полученных результатов; 3) На основании расчета цикла теплового двигателя установить эффективность его работы (вычистить КПД) и на основании графических схем выделить основные процессы с указанием их принадлежность к типовым процессам согласно номенклатуре классической термодинамики; 4) При тепловом расчете горизонтального секционного кожухотрубного водо-водяного подогревателя уточнить длину одной секции с учетом принятого числа секций, а также проверить правильность первоначального выбора температур поверхностей теплопередающей стенки. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 3 1. Анализ конструкций теплообменных аппаратов 1.1 Общие положения Теплообменные аппараты предназначены для проведения процессов теплообмена при необходимости нагревания или охлаждения технологической среды с целью ее обработки или утилизации теплоты. Учитывая широкий диапазон применения и важность выполняемых функций, теплообменные аппараты должны соответствовать следующим основным требованиям: 1 – обеспечивать передачу требуемого количества теплоты с получением необходимых конечных температур теплоносителей; 2 – обладать определённой пропускной способностью для каждой из рабочих сред при заданном уровне гидравлических сопротивлений; 3 – быть надёжными в эксплуатации при заданных параметрах рабочих сред; 4 – поверхность теплообмена и элементы конструкции должны обладать достаточной химической стойкостью к воздействию агрессивных сред; 5 – конструкция должна предусматривать возможность осмотра поверхности теплообмена и доступность для её периодической очистки и ремонта; 6 – обладать возникающих в достаточным результате запасом воздействия прочности от напряжений, давления рабочих сред и температурных деформаций; 7 – иметь возможно меньшие габариты и металлоёмкость. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 4 1.2 Рекуперативные Рекуперативный теплообменник – устройство, в котором происходит теплообмен между газом и жидкостью через «тонкую» стенку. По схеме исполнения они бывают – прямоточными, противоточные и перекрестные По конструкции – трубчатые, ребристые, пластинчатые, ребристо– пластинчатые 1.2.1 Аппараты теплообменные кожухотрубчатые Кожухотрубчатые теплообменные аппараты с неподвижными трубными решетками и с поперечными перегородками в межтрубном пространстве, применяются в химической, нефтяной и других отраслях промышленности. Рисунок 1 – Теплообменник с неподвижной трубной решеткой 1 – кожух; 2 – пучок труб; 3 – неподвижная стенка; 4,5 – распределительная камера; Теплообменники с неподвижными трубными решетками. Теплообменники предназначены для нагрева и охлаждения, а холодильники — для охлаждения (водой или другим нетоксичным, непожаро– и невзрывоопасным хладоагентом) жидких и газообразных сред. Теплообменники и холодильники могут устанавливаться горизонтально или вертикально, быть одно–, двух–, четырех– и шестиходовыми по трубному пространству. Трубы, кожух и другие элементы конструкции могут быть изготовлены из углеродистой или нержавеющей стали, а трубы холодильников Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 5 — также и из латуни. Распределительные камеры и крышки холодильников выполняют из углеродистой стали. Один из теплоносителей в этих аппаратах движется по трубам, другой — в межтрубном пространстве, ограниченном кожухом и наружной поверхностью труб. Особенностью аппаратов типа Н является то, что трубы жестко соединены с трубными решетками, а решетки приварены к кожуху. В связи с этим исключена возможность взаимных перемещений труб и кожуха; поэтому аппараты этого типа называют еще теплообменниками жесткой конструкции. Трубы в кожухотрубчатых теплообменниках стараются разместить так, чтобы зазор между внутренней стенкой кожуха и поверхностью, огибающей пучок труб, был минимальным; в противном случае значительная часть теплоносителя может миновать основную поверхность теплообмена. Для уменьшения количества теплоносителя, проходящего между трубным пучком и кожухом, в этом пространстве устанавливают специальные заполнители, например, приваренные к кожуху продольные полосы или глухие трубы, которые не проходят через трубные решетки и могут быть расположены непосредственно у внутренней поверхности кожуха. Если площадь сечения трубного пространства (число и диаметр труб) выбрана, то в результате теплового расчета определяют коэффициент теплопередачи и теплообменную поверхность, по которой рассчитывают длину трубного пучка. Последняя может оказаться больше длины серийно выпускаемых труб. В связи с этим применяют многоходовые (по трубному пространству) аппараты с продольными перегородками в распределительной камере. 1.2.2 Аппараты теплообменные трубчатые без кожуха. 1.2.2.1 Теплообменники погружные спиральные. Основным теплообменным элементом является змеевик – труба, согнутая по определенному профилю. Змеевик погружается в жидкость, находящуюся в корпусе аппарата. Скорость движения мала вследствие большого сечения корпуса аппарата, что обуславливает низкие значения коэффициентов Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 6 теплоотдачи от наружной стенки змеевика к жидкости (или наоборот). Для увеличения этого коэффициента теплоотдачи повышают скорость движения жидкости путем установки в корпусе аппарата, внутри змеевика, стакана. В этом случае жидкость движется по кольцевому пространству между стенками аппарата и стакана с повышенной скоростью. Часто в погружных теплообменниках устанавливают змеевики из прямых труб, соединенных калачами. Вследствии простоты устройства, низкой стоимости, доступности, наружных стенок змеевика для чистки и осмотра, возможности работы змеевиков при высоких давлениях эти теплообменники находят достаточно широкое применение в промышленности. Погружные змеевиковые теплообменники имеют сравнительно небольшую поверхность теплообмена (до 10 – 15 м2). 1.2.2.2 Теплообменники оросительные Теплообменники оросительные состоят из нескольких рядов труб, расположенных одна над другой, по наружной поверхности которых тонкой пленкой стекает охлаждающая их вода. Орошающая теплообменник вода при перетекании по наружным стенкам труб частично испаряется: при этом процесс теплообмена идёт интенсивнее, вследствии чего расход воды на охлаждение в оросительных теплообменниках ниже, чем в холодильниках других типов, но при этом происходит необратимая потеря воды. Во избежание сильного увлажнения воздуха в помещении оросительные теплообменники обычно устанавливают на открытом воздухе. По этой же причине, если оросительный теплообменник необходимо установить в помещении, его приходится помещать в громоздкие кожухи, которые подключают к системе вытяжной вентиляции. К недостаткам этих теплообменников следует отнести также громоздкость, неравномерность смачивания наружной поверхности труб, нижние ряды которых могут вообще не смачиваться и практически не участвовать в теплообмене. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 7 Поэтому, несмотря на простоту изготовления, лёгкость чистки наружных стенок труб и другие достоинства, оросительные теплообменники находят ограниченное применение. Рисунок 2 – Оросительный теплообменник 1 – оросительный желоб;2 –охлаждаемые трубы; 3 – соединительные калачи; 4 – приямок для сбора воды 1.2.2.3 Аппараты теплообменные с наружным обогревом. Теплообменные аппараты «труба в трубе» используют главным образом для охлаждения или нагревания в системе жидкость—жидкость, когда расходы теплоносителей невелики и последние не меняют своего агрегатного состояния. Иногда такие теплообменники применяют при высоком давлении для жидких и газообразных сред, например, в качестве конденсаторов в производстве метанола, аммиака и др. Двухтрубные теплообменники по ГОСТ 9930–78 изготавливаются с площадью поверхности теплообмена от 0.5 до 93 м2. Аппараты представляют собой набор последовательно соединенных элементов, состоящих из концентрически расположенных труб. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 8 Рисунок 3 – Теплообменный аппарат «труба в трубе» Один теплоноситель движется по внутренним трубам 1, другой – по кольцевому зазору между внутренними и наружными 2 трубами. Поскольку сечения внутренней трубы и кольцевого зазора невелики, то в этих теплообменниках достигаются значительные скорости движения теплоносителей (до 3 м/с), что приводит к увеличению коэффициентов теплопередачи и тепловых нагрузок, замедлению отложения накипи и загрязнений на стенках труб. Однако двухтрубные теплообменники более громоздки, чем кожухотрубчатые, на их изготовление требуется больше металла на единицу поверхности теплообмена. Двухтрубные теплообменники применяют для процессов со сравнительно небольшими тепловыми нагрузками и соответственно малыми поверхностями теплообмена (не более десятков квадратных метров). Этого типа аппараты могут работать с загрязненными теплоносителями, так как внутреннюю поверхность теплообменных труб можно подвергать механической очистке. Поскольку возможность температурных удлинений кожуховых труб из–за жесткого соединения их с опорами ограниченна, перепад температур входа и выхода среды, текущей по кольцевому зазору, не должен превышать 150 °С. 1.2.3 Аппараты теплообменные листовые 1.2.3.1 Теплообменники спиральные Теплообменники спиральные изготовляют с поверхностью теплообмена 10—100 м2; они работают как под вакуумом, так и при давлении до 1 МПа при температуре рабочей среды 20—200 °С. Их можно использовать для Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 9 реализации теплообмена между рабочими средами жидкость—жидкость, газ— газ, газ— жидкость, а также конденсации паров и парогазовых смесей. Все большее распространение этих теплообменников в последнее время объясняется главным образом простотой изготовления и компактностью конструкции. В таком аппарате один из теплоносителей поступает в периферийный канал аппарата и, двигаясь по спирали, выходит из верхнего центрального канала. Другой теплоноситель поступает в нижний центральный канал и выходит из периферийного канала. Площадь поперечного сечения каналов в таком теплообменнике по всей длине постоянна, поэтому он может работать с загрязненными жидкостями (загрязнение смывается потоком теплоносителя). В спиральных теплообменниках поверхность теплообмена образована двумя стальными лентами, свернутыми в спираль так, что получаются каналы прямоугольного профиля, по которым противоточно движутся теплоносители. В зависимости от способа уплотнения спиральных каналов с торцов различают теплообменники с тупиковыми и сквозными каналами. Рисунок 4 – Спиральный теплообменник 1 – верхний центральный канал; 2,3 – периферийные каналы; 4 – нижний центральный канал. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 10 1.2.3.2 Теплообменники пластинчатые ребристые. Это спиральные теплообменники с теплообменной поверхностью в виде гофрированных листов, обеспечивающих разрушение пограничных слоев теплоносителя благодаря, генерации гофрами в пристенной зоне активных вторичных течений и возникновению центробежных сил в потоках теплоносителей при их движении по изогнутым каналам. Теплообменники пластинчатые разборные представляют собой аппараты, теплообменная поверхность которых образована набором тонких штампованных пластин с гофрированной поверхностью. Их разделяют по степени доступности поверхности теплообмена для механической очистки и осмотра на разборные, полуразборные и неразборные (сварные). Рисунок 5 – Пластинчатый разборный теплообменник 1.2.4 Аппараты теплообменные с воздушным охлаждением. В промышленности большую часть теплообменных аппаратов составляют конденсаторы и холодильники. Использование для конденсации и охлаждения различных технологических продуктов аппаратов водяного охлаждения, кожухотрубчатых или оросительных, связано со значительными расходами воды и, следовательно, с большими эксплуатационными затратами. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 11 Применение аппаратов воздушного охлаждения в качестве холодильников–конденсаторов имеет ряд преимуществ: • исключаются затраты на подготовку и перекачку воды; • снижается трудоемкость и стоимость ремонтных работ; не требуется специальной очистки наружной, обтекаемой воздушным потоком поверхности труб; • облегчается регулирование процесса охлаждения и др. Горизонтальный аппарат воздушного охлаждения (Рисунок 6) снабжен сварной рамой 1, на которой размещен ряд теплообменных секций 2. Они состоят из пучка поперечно оребренных труб, в которых прокачивается конденсируемая (охлаждаемая) среда. Снизу к раме прикреплены диффузор 3 и коллектор 6, в центре которого находится осевой вентилятор 5. Вентилятор вместе с угловым редуктором 9 и электродвигателем 7 смонтирован на отдельной раме 8. Воздух, нагнетаемый вентилятором, проходит через теплообменные секции, омывая наружную поверхность оребренных труб и обеспечивая при этом конденсацию и охлаждение пропускаемой по трубам среды. Рисунок 6 – Горизонтальный аппарат воздушного охлаждения Для повышения предусмотрены эффективности распиливающие аппарата водяные в форсунки его конструкции 4, автоматически включающиеся при повышенной температуре окружающей среды в летний Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 12 период работы. При низких температурах (зимой) можно отключать электродвигатель и вентилятор; при этом конденсация и охлаждение происходят естественной конвекцией. Кроме этого, интенсивность теплосъема можно регулировать, меняя расход прокачиваемого воздуха изменением угла наклона лопастей вентилятора. Для этого в аппаратах воздушного охлаждения предусмотрены механизм дистанционного поворота лопастей с ручным или пневматическим приводом и жалюзи, установленные над теплообменными секциями. Жалюзийные заслонки можно поворачивать вручную или автоматически с помощью пневмопривода. 1.2.5 Аппараты теплообменные с электрическим обогревом. Установки с трубчатыми нагревательными элементами (Рисунок 7). В отличие от электронагревательных элементов, для которых в качестве электроизоляционных материалов применяют керамику, миканит и слюду, современные трубчатые электрические нагреватели (ТЭН) представляют собой металлический патрон — обычно трубу из меди, латуни, углеродистой стали или аустенитной хромоникелевой стали Х18Н10Т, внутри которой запрессована в наполнителе спираль из нихромовой проволоки. В качестве наполнителя применяются плавленая окись магния (периклаз), окись алюминия (электрокорунд) или кварцевый песок. Наполнитель служит, с одной стороны, электроизоляцией спирали от металлической трубы, а с другой— проводником тепла. Рисунок 7 – Теплообменный аппарат с электрическим обогревом Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 13 1.3 Регенеративные Регенеративными называются такие теплообменные аппараты, в которых два или большее число теплоносителей попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева. В регенеративных теплообменниках процесс переноса теплоты от горячего теплоносителя к холодному разделяется во времени на два периода и происходит при попеременном нагревании и охлаждении насадки. Теплообменники этого типа часто применяют для регенерации теплоты отходящих газов. Характерным для регенеративных теплообменников является наличие твердых тел, которые попеременно соприкасаются с горячим и холодным теплоносителями. При соприкосновении с горячим теплоносителем твердое тело нагревается; соприкасаясь с холодным теплоносителем, отдает ему свое тепло. Разделяют непрерывно действующие и периодически действующие регенеративные теплообменники. Рисунок 8 – Регенеративный теплообменник 1 – резервуар; 2 – клапанная коробка; 3 – задвижка. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 14 1.4 Смесительные Смесительными называются такие теплообменные аппараты, в которых тепло– и массообмен происходят при непосредственном контакте и смешивании теплоносителей. Аппараты смешивающего типа В смесительных аппаратах осуществляется непосредственный контакт двух или более веществ, находящихся в жидком или газообразном состоянии. Конденсаторы смешения. В зависимости от способа вывода из аппаратов потоков различают мокрые и сухие конденсаторы смешения. Рисунок 9 – Мокрый прямоточный конденсатор смешения 1 – корпус; 2 – крышка; 3,5 – патрубок; 4 – распыляющее сопло; 6 – мокровоздушный насос В мокрых конденсаторах охлаждающую воду, конденсат и неконденсирующиеся газы (воздух) отводят из нижней части аппарата совместно при помощи мокровоздушного насоса, в сухих охлаждающая вода с конденсатом отводится из нижней части аппарата, а воздух отсасывается вакуумным насосом из верхней части. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 15 2. Расчет теплопроводности через многослойную плоскую стенку Тепло газообразных продуктов сгорания передается через стенку к воде. Принимая температуру газов tГ; со стороны воды tВ, коэффициент теплопроводности со стороны газа αГ, со стороны воды αВ и считая стенку плоской требуется: 1. Определить термические сопротивления R, коэффициенты теплопередачи К, плотности тепловых потоков q слоев многослойной стенки: Слой 1: со стороны газов стенка покрыта слоем сажи, δ1, при λ1; Слой 2: стенка стальная, δ2, при λ2; Слой 3: со стороны воды слой 2 покрыт слоем накипи δ3, при λ3; Слой 4: поверх слоя 3 имеется слой масла толщиной δ4, при λ4; 2. Определить аналитически температуры всех слоев стенки; 3. Определить эти же температуры графически; 4. Построить график падения температуры в стенке; Дано: δ1 = 14 мм; δ2 = 14 мм; δ3 = 6 мм; δ4 = 0,7 мм; δ5 = 2 мм; tГ = 1300°С; tВ = 35°С; αГ = 90 Вт/м2К; λ1 = 50 Вт/мК; λ2= 380 Вт/мК; αВ = 900 Вт/м2К; λ3 = 2 Вт/мК; λ4 = 0,2 Вт/мК. Термическое сопротивление слоя стенки: 𝛿𝑖 м2 К 𝑅𝑖 = , 𝜆𝑖 Вт (1) где 𝜆𝑖 – коэффициент теплопроводности; 𝛿𝑖 – толщина плоской стенки. Коэффициент теплопередачи стенки: 1 м2 К 𝐾𝑖 = , 𝛴𝑅𝑖 Вт (2) где Σ𝑅𝑖 – сумма термических сопротивлений слоев стенки. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 16 Плотность теплового потока: 𝑞 = К (𝑡г – 𝑡В ), Вт м2 (3) где К – коэффициент теплопередачи; tГ – температура газа; tВ – температура воды. а) Параметры слоя 1: Термическое сопротивление газов: 1 м2 К 𝑅г = = 0,01111 90 Вт Термическое сопротивление сажи: 14 ∗ 10−3 м2 К 𝑅1 = = 0,00028 50 Вт Коэффициент теплопередачи стенки: 𝐾1 = 1 Вт = 80 2 (0,01111 + 0,00028) м К Плотность теплового потока: 𝑞 = 80(1300 – 35) = 101200 Вт м2 б) Параметры слоя 2: Термическое сопротивление меди: 14 ∗ 10−3 м2 К 𝑅2 = = 0,00037 380 Вт Коэффициент теплопередачи стенки: 𝐾2 = 1 Вт = 81,59 2 (0,01111 + 0,00028 + 0,00037 ) м К Плотность теплового потока: 𝑞 = 81,59 (1300 – 35) = 103211,35 Вт м2 в) Параметры слоя 3: Термическое сопротивление накипи: Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 17 0,014 + 0,006 м2 К 𝑅3 = = 0,01 2 Вт Коэффициент теплопередачи стенки: 𝐾3 = 1 Вт = 44,40 2 (0,01111 + 0,00028 + 0,00037 + 0,01) м К Плотность теплового потока: 𝑞 = 44,40 (1300 – 35) = 56166 Вт м2 г) Параметры слоя 4: Термическое сопротивление масла: 0,0007 м2 К 𝑅4 = = 0,0035 0.2 Вт Термическое сопротивление воды: 1 м2 К 𝑅в = = 0,00111 900 Вт Коэффициент теплопередачи стенки: 𝐾4 = 1 Вт = 43,23 2 (0,01111 + 0,00028 + 0,00037 + 0,01 + 0,0035 + 0,00111) м К Плотность теплового потока: 𝑞 = 43,23 (1300 – 35) = 54685,95 Вт м2 Таблица 1 – Результаты расчетов. № п/п Название слоя Суммарно-пошаговое термическое сопротивление Температура Температура Графический Аналитический метод, оC метод, оC 1 Газы 0 1300 1300 2 Сажа 0,01111 693,726 692,986 3 Сталь 0,00028 678,460 677,670 4 Медь 0,00037 662,003 662,360 5 Накипь 0,01 115,080 115,500 6 Масло 0,0035 96,050 96,360 7 Вода 0,00111 35 35 Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 18 Рисунок 10 – Графическое определение температуры Рисунок 11 – График падения температур через стенку Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 19 3. Расчет характеристик цикла теплового двигателя Исходные данные: Рисунок 12 – Вариант задания Таблица 2 – Исходные данные: показатель давление 1 температура 1 обозначение Р1 Т1 единица измерения атм. тех. ОС значение 0.8 20 CИ 78453.2 293 Па К температура 3 Т3 ОС 300 573 К удельный объем 2 газовая постоянная изохорная теплоемкость изобарная теплоемкость показатель адиабаты v2 R м3/кг Дж/кг*К 0.4 287 Cv кДж/кг*К 0.71 Cp кДж/кг*К 1.005 k - 1.415 Определить: 1. Параметры Р, v, T, U, для узловых точек цикла, ΔU, ΔS, Q, A – для каждого процесса, работу цикла, термический к.п.д. цикла 2. Построить цикл в координатах lg P – lg v; в координатах Р – v; Процесс 1–2 Изотермический Точка 1 Точка 2 P = 78453.2 Па P – ? Па T = 293K T = 293K v – ? м3/кг V = 0.4 м3/кг 𝑣1 = 𝑅𝑇1 287 ∗ 293 = = 1.072 м3 /кг 𝑃1 78453.2 Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 20 𝑃2 = 𝑃1 𝑣1 78453.2 ∗ 1.072 = = 210254.6 Па 𝑣2 0.4 Работа: 𝑃1 78453.2 А = 𝑅𝑇𝑙𝑛 ( ) = 287 ∗ 293 ∗ 𝑙𝑛 ( ) = −82898.32 Дж 𝑃2 210254.6 Изменение внутренней энергии: Δ𝑈 = 0 Дж Изменение энтропии: 𝑃1 78453.2 Δ𝑆 = 𝑅𝑙𝑛 ( ) = 287 ∗ 𝑙𝑛 ( ) = −282.93 Дж 𝑃2 210254.6 Процесс 2–3 Изохорный Точка 2 Точка 3 P = 210254.6 Па P – ? Па T = 293K T = 573K v – 0.4 м3/кг V = 0.4 м3/кг 𝑃3 = 𝑃2 𝑇3 210254.6 ∗ 573 = = 411178.5 Па 𝑇2 293 Работа: А = 0 Дж Изменение внутренней энергии: Δ𝑈 = 𝐶𝑣 (𝑇3 − 𝑇2 ) = 710 ∗ (573 − 293) = 198800 Дж Изменение энтропии: 𝑇3 573 Δ𝑆 = 𝐶𝑣 ( ) = 710 ∗ 𝑙𝑛 ( ) = 476.206 Дж 𝑇2 293 Процесс 3–4 Адиабатный Точка 3 Точка 4 P – 411178.5 Па P – ? Па T = 573K T–?K V = 0.4 м3/кг V = 1.072 м3/кг 𝑣3 𝑘 0.4 1.415 𝑃4 = 𝑃3 ( ) = 411178.5 ∗ ( = 101867.1 Па ) 𝑣4 1.072 Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 21 𝑇4 = 𝑃4 𝑣4 101867.1 ∗ 1.072 = = 380.44Па 𝑅 287 Работа: А = −Δ𝑈 = 136.715 Дж Изменение внутренней энергии: Δ𝑈 = 𝐶𝑣 (𝑇4 − 𝑇3 ) = 710 ∗ (380.44 − 573) = −136.715 Дж Изменение энтропии: Δ𝑆 = 0Дж Процесс 4 – 1 Изохорный Точка 4 Точка 1 P = 101867.1 Па P – 78453.2 Па T = 380.44K T = 293K v = 1.072 м3/кг V = 1.072 м3/кг 𝑃3 = 𝑃2 𝑇3 210254.6 ∗ 573 = = 411178.5 Па 𝑇2 293 Работа: А = 0 Дж Изменение внутренней энергии: Δ𝑈 = 𝐶𝑣 (𝑇1 − 𝑇4 ) = 710 ∗ (293 − 380.44) = −62085.3 Дж Изменение энтропии: 𝑇3 293 Δ𝑆 = 𝐶𝑣 ( ) = 710 ∗ 𝑙𝑛 ( ) = −185.428 Дж 𝑇2 380.44 Название процесса показатель № точки 1 T, К 293 v, м3/кг 1.072 P, Па 78453.2 изотермический 2 293 0.4 573 0.4 380.44 1.072 КПД 293 1.072 dS, кДж -82.8875 0 -82.8875 -0.282892 0 198.8 198.8 0.476206 136.715 -136.715 0 0 0 -62.0853 -62.0853 -0.185428 101867.1 изохорный 1 Q, кДж 411127.5 адиабатный 4 dU, кДж 210227.5 изохорный 3 A, кДж 78453.2 27.08% Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 22 По данным из таблицы выполним построение цикла в координатах p – V и в координатах lgP – lgV: Рисунки 13 и 14 – Построение цикла в координатах p – V и в координатах lgP – lgV соответственно. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 23 4. Тепловой расчет горизонтального секционного кожухотрубного водоводяного подогревателя Горячий теплоноситель, протекает по латунным трубкам с наружным диаметром d2 = 16 мм и внутренним d1 - 14 мм. Пучок из n трубок заключен в корпус (кожух), внутренний диаметр которого составляет D мм. В межтрубном пространстве протекает нагреваемая вода. Расчетная длина секции теплообменника l. При расчете потерями теплоты с внешней поверхности корпуса теплообменника пренебречь. Необходимо определить: - тепловую мощность подогревателя; - температуру греющей воды на выходе из подогревателя; - коэффициент теплоотдачи от греющей воды к внутренней поверхности трубки; - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности трубки к нагреваемой воде; - коэффициент теплопередачи от греющей воды к нагреваемой воде через разделяющую их поверхность латунных трубок; - среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями; - поверхность нагрева теплообменного аппарата; - число секций. В конце расчета уточнить длину одной секции с учетом принятого числа секций, а также проверить правильность первоначального выбора температур поверхностей теплопередающей стенки. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 24 Исходные данные Показатели Ед. изм. значение Расход греющей воды, G1 Кг/ч 3200 Температура греющей воды на входе в ТО t'1 0 C 90 Расход нагреваемой воды, G2 Кг/ч 4100 Внутренний диаметр корпуса, d мм 49 Число трубок в секции, n шт 4 0 C 7 0 C 48 Температура нагреваемой воды на входе в ТО, t'2 Температура нагреваемой воды на выходе из ТО, t’’2 Коэффициент теплопроводности материала трубок, l Расчетная длина секции ТО, l 102 м 2.2 Тепловая мощность подогревателя определяется из уравнения теплового баланса для нагреваемого теплоносителя: 𝑄 = 𝐺2 𝐶𝑃2 (𝑡2 − 𝑡2 ) где Ср2=4,174 кДж/кгС, теплоемкость нагреваемой воды, определяется при tср2=27.5С, 𝑄= 4100 4.174(48 − 7) = 194.9 кВт 3600 Температура греющей воды на выходе из ТО t1 определяется из уравнения теплового баланса для греющей воды: 𝑄 = 𝐺1 𝐶𝑃1 (𝑡1′ − 𝑡1 ′′) Отсюда 𝑡1′′ = 𝑡1′′ − 𝑄 194.9 = 90 − = 37.469 ℃ 3200 𝐺1 𝐶𝑃2 4.174 3600 4.1 Определение коэффициента теплоотдачи 1 от греющей воды к внутренней поверхности трубок. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 25 Теплофизические характеристики горячей воды определим при средней температуре tср1: 𝑡1′ + 𝑡1′′ 90 + 37.469 𝑡𝑐р1 = = = 63.734 С 2 2 плотность горячей воды ρ=981.15 кг/м3; коэффициент кинематической вязкости v=0.6552*10-6 м2/с; коэффициент теплопроводности воды λ=0.4485 Вт/мС; критерий Прандтля горячей воды при tср1 Pr1=2.81 Скорость движения греющей воды внутри латунных трубок 𝜔1 = 4𝐺1 4 ∗ 3200 = = 1.472 м/𝑐 𝑛𝜋𝑑12 𝜌1 4 ∗ 3.14 ∗ 142 ∗ 10−6 ∗ 981.15 ∗ 3600 Число Рейнольдса 𝜔1 𝑑1 1.472 ∗ 14 ∗ 10−3 𝑅𝑒1 = = = 45948.717 𝜐1 0.6552 ∗ 10−6 Re 104 – режим движения жидкости турбулентный Для турбулентного режима движения теплоносителей справедливо следующее критериальное уравнение 𝑁𝑢1 = 0.021𝑅𝑒10.8 𝑃𝑟10.43 ( 𝑃𝑟1 0.25 ) 𝑃𝑟ст здесь 𝑁𝑢1 - число Нуссельта горячей воды, 𝑃𝑟ст = 3.745- число Прандтля воды при средней температуре стенки tст: 𝑡ст = 0.5(𝑡ср1 + 𝑡ср2 ) = 0.5(37.469 + 27.5) = 32.484 ℃ 𝑁𝑢1 = 0.021 ∗ 45948.717 0.8 ∗ 2.81 0.43 2.81 0.25 = 157.95 ( ) 4.31 Коэффициент теплоотдачи от горячей воды к внутренней поверхности латунных трубок определяется из условия: 𝛼𝑑 𝜆 здесь d – определяющий размер, в нашем случае это внутренний диаметр 𝑁𝑢 = латунных трубок Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 26 𝛼1 = 𝑁𝑢1 𝜆1 157.95 ∗ 0.655 Вт = = 7389.803 𝑑1 14 ∗ 10−3 м2 ℃ 4.2 Определение коэффициента теплоотдачи от внешней поверхности латунных трубок к нагреваемой воде. Определим теплофизические характеристики нагреваемой воды при средней температуре t2 : 𝑡2′ + 𝑡2′′ 48 + 7 𝑡𝑐р2 = = = 27.47 С 2 2 плотность воды 2=996,2 кг/м3; коэффициент кинематической вязкости 2=0,83610-6 м2/с; коэффициент теплопроводности воды 2=0,610 Вт/мС; критерий Прандтля Pr2=5,7. Эквивалентный диаметр сечения межтрубного пространства 𝑑экв2 = 4𝐹 𝑃 где F – площадь межтрубного пространства, внутри которого протекает нагреваемая вода: 𝜋(𝐷2 − 𝑛𝑑22 ) 𝐹= 4 3.14(572 − 4 ∗ 162 ) 𝐹= = 0.00116 м2 4 P –смоченный периметр канала 𝑃 = 𝐷 + 𝑛𝑑2 где d2 – внешний диаметр латунных трубок. 𝐷2 − 𝑛𝑑22 572 − 4 ∗ 162 𝑑экв = = = 18 мм 𝐷 + 𝑛𝑑 57 + 4 ∗ 16 Скорость движения греющей воды внутри латунных трубок 𝜔2 = 𝐺2 4100 = = 0.985 м/𝑐 𝐹𝜌2 0.00116 ∗ 996.2 ∗ 3600 Число Рейнольдса 𝜔2 𝑑2 0.985 ∗ 16 ∗ 10−3 𝑅𝑒2 = = = 18851.674 𝜐2 0.836 ∗ 10−6 Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 27 Re 104 – режим движения жидкости турбулентный Для турбулентного режима движения теплоносителей справедливо следующее критериальное уравнение 𝑁𝑢2 = 0.021𝑅𝑒20.8 𝑃𝑟20.43 ( 𝑃𝑟2 0.25 ) 𝑃𝑟ст здесь 𝑁𝑢2 - число Нуссельта горячей воды, 𝑃𝑟ст = 3.745- число Прандтля воды при средней температуре стенки tст: 𝑡ст = 0.5(𝑡ср1 + 𝑡ср2 ) = 0.5(65.174 + 29.5) = 47.337 ℃ 0.8 𝑁𝑢2 = 0.021 ∗ 18851.674 ∗ 5.7 0.43 5.7 0.25 = 125.27 ( ) 4.31 Коэффициент теплоотдачи от горячей воды к внутренней поверхности латунных трубок определяется из условия: 𝛼𝑑 𝜆 здесь d – определяющий размер, в нашем случае это внутренний диаметр 𝑁𝑢 = латунных трубок 𝛼2 = 𝑁𝑢2 𝜆2 125.27 ∗ 0.6104 Вт = = 4248 𝑑экв 18 ∗ 10−3 м2 ℃ Коэффициент теплопередачи от горячей воды к нагреваемой воде через разделяющую их поверхность теплообмена, т.к. 𝑘= d 2 16 1.14 1.5 d1 14 1 1 Вт = = 2629.531 1 𝛿ст 1 1 2 ∗ 10−3 1 м2 ℃ + + + + 𝛼1 𝜆ст 𝛼2 7389.8 4248 104.5 Среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями для случая противоточной схемы включения: (𝑡1′ − 𝑡2′′ ) − (𝑡1′′ − 𝑡2′ ) (90 − 48) − (37.469 − 7) ∆𝑡ср = = = 35.926 ℃ 90 − 48 𝑡1′ − 𝑡2′′ ln ( ln ( ′′ ) 37.469 − 7) 𝑡1 − 𝑡2′ Поверхность теплообмена ТО F= 𝑄 194.9 = = 2.0631 м2 𝑘∆𝑡ср 2629.531 ∗ 35.926 Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 28 Поверхность нагрева одной секции ТО 𝐹секц = 𝑛𝑑ср 𝑙 = 4 ∗ 3.14 ∗ 1510−3 ∗ 2.2 = 4.14 м2 Число секций в теплообменнике N= 𝐹 𝐹секц = 2.063 = 4.830 4.14 Принимаем для ТО N=5 секций Уточним длину секции 𝐹 = 𝑁𝑛𝑑ст 𝑙 𝑙= 2.0631 = 2.190 м 5 ∗ 4 ∗ 3.14 ∗ 15 ∗ 10−3 11. Уточним температуры поверхностей латунных трубок 𝑄 = 1 (𝑡1 − 𝑡ст1 )𝑑1 𝑛𝑙𝑁 𝑡ст1 = 𝑡ср1 − 𝑡ст1 = 63.734 − 194.9 = 63.72℃ 7389 ∗ 3.14 ∗ 14 ∗ 10−3 ∗ 4 ∗ 2.190 ∗ 5 𝑡ст2 = 𝑡ср2 − 𝑡ст2 = 27.5 − 𝑄 𝛼1 𝜋𝑑1 𝑛𝑙𝑁 𝑄 𝛼2 𝜋𝑑2 𝑛𝑙𝑁 194.9 = 27.50℃ 4248 ∗ 3.14 ∗ 16 ∗ 10−3 ∗ 4 ∗ 2.190 ∗ 5 Совпадение с принятой tc удовлетворительное. (см. п. 3.4.) Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 29 Рисунок 15 – График изменения температур греющей и нагреваемой воды по длине теплообменника при противоточной схеме включения теплоносителя. Рисунок 16 – График распределения температур на расчетном участке теплопередачи. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 30 Заключение 1. Был произведен анализ основных групп теплообменных аппаратов: по принципу действия, конструктивным особенностям, виду теплоносителя, материалу изготовления и т. д. 2. Выполнен расчет теплопроводности через многослойную стенку в теплообменном аппарате с графическим отражением достоверности полученных результатов; 3. На основании расчета цикла теплового двигателя была установлена эффективность его работы (вычистить КПД) и на основании графических схем выделены основные процессы с указанием их принадлежности к типовым процессам согласно номенклатуре классической термодинамики; 4. Был произведен тепловой расчет горизонтального секционного кожухо–трубного водо–водяного подогревателя, уточнена длина одной секции с учетом принятого числа секций, а также проверена правильность первоначального выбора температур поверхностей теплопередающей стенки. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 31 Список использованных источников 1. Виноградов С.Н. Выбор и расчёт теплообменников. Пермь: ПГУ, 2001 – 100с. 2. Сабуров Э.Н. Конвективный теплообмен в циклонных нагревательных устройствах. Ч.1. Основы конвективного теплообмена: монография. Архангельск: Сев. (Аркт.) Федер. ун-т, 2011. - 385 с. 3. Самохвалов В.С., Багненко М.Ю. Влияние ударно-акустического метода очистки наружных отложений на повышение энергоэффективности и надежности теплообменных аппаратов // Пром. теплотехника. - 2007. - Т.29, N 7. - С.102-106. 4. Сафиуллов А.Р., Пазушкин П.Б. Раствор для промывки теплообменников // Новые технологии в теплоснабжении и строительстве: сб. работ аспирантов и студентов - сотрудников НИЛ "Теплоэнергетические системы и установки". Вып.6. - Ульяновск: УлГТУ, 2008. - С.72-74. 5. Семенов В.П. Разработка методов интенсификации процессов теплообмена при конденсации пара в поверхностных и контактных теплообменниках: автореф. дис. ... д-ра техн. наук / Магнитогор. гос. ун-т. Екатеринбург, 2009. - 48 с. 6. Совершенствование кожухотрубных водо-водяных теплообменных аппаратов теплоэлектростанций / Рябчиков А.Ю., Бродов Ю.М., Хает С.И. и др. // Проблемы машиностроения. - 2006. - Т.9, N 4. - С.68-71. 7. Солдатов В.В., Гончаров А.В. Математическое моделирование и оптимизация теплообменников // Вестник МГАУ. - 2008. - N 4. - С.53-56. 8. Солодов А.П. Дифференциальная модель теплообменника // Тепловые процессы в технике. - 2010. - Т.2, N 8. - С.364-370. 9. Сорока Б.С. Интенсификация тепломассообменных процессов при сжигании топлива в печах. Развитие теории топливных печей и топочных процессов // Экотехнол. и ресурсосбережение. - 2006. - N 5. - С.3-14. 10. Сотникова О.А. Тепловой расчет рекуперативных теплообменников: учеб.-метод. пособие. - Воронеж: ВГАСУ, 2006. - 74 с. Лист КР- 02068025-08.03.01-154.24 Изм. Кол.Уч. Лист №док. Подпись Дата 32
