Курсовой проект - Расчет теплообменного аппарата типа труба в трубе - файл n1.rtf

приобрести
Курсовой проект - Расчет теплообменного аппарата типа труба в трубе
скачать (4075.9 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.rtf4076kb.14.09.2012 09:41скачать

n1.rtf

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ


«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра «Теоретические основы теплотехники и гидромеханика»

КУРСОВАЯ РАБОТА
по курсу «ТЕПЛОМАССООБМЕН»


Вариант №9
Выполнил:

.

Проверил:


Самара 2009

СОДЕРЖАНИЕ:


  1. Постановка задачи............................................................................3

  2. Исходные данные.............................................................................4

  3. Первое приближение:

    • Теплоотдача в цилиндрическом канале:

конвективная составляющая.....................................................6

радиационная составляющая……….…..….….….….….……6

внутренняя стенка……………………………………………...8

наружная стенка………………………………………………..9

стенку теплообменника………………………………………10

стенку теплообменника:

конвекция………………………………………………………13

излучение………………………………………………………14

  1. Результаты расчета…………………………………………...........18

  2. График изменения температур……………………………………19

  3. Список литературы………………………………………………...20


Постановка задачи:
Требуется выполнить поверочный расчет теплообменного аппарата типа «труба в трубе», схема которого показана на рис. 1,2.

Теплообменный аппарат состоит из двух соосно расположенных круглых цилиндрических труб с наружной теплоизоляцией.

Внутренняя труба снабжена продольными ребрами с наружной стороны. В щелевом пространстве между трубами движется воздух. По внутренней трубе снизу вверх движутся газообразные продукты сгорания органического топлива.

Воздух в теплообменнике нагревается, продукты сгорания охлаждаются. Заданы состава продуктов сгорания (объемные доли трехатомных газов и азота - , , ), направление движения теплоносителей (прямоток), температура теплоносителей на входе (,), массовый расход продуктов сгорания и воздуха (,), все геометрические (конструктивные) характеристики элементов теплообменника:


Теплообменник ориентирован вертикально. Окружающая среда – воздух. Целью поверочного расчета является определение температуры теплоносителей на выходе из теплообменного аппарата и расчет составляющих теплового баланса.

В результате расчета требуется:

  1. определить конечную температуру воздуха и продуктов сгорания;

  2. определить среднюю температуру стенки внутреннего цилиндра;

  3. определить эффективность оребрения;

  4. определить среднюю плотность теплового потока через стенку внутреннего цилиндра;

  5. определить средние температуры слоев наружной стенки;

  6. определить среднюю плотность теплового потока и тепловой поток через теплоизоляцию в окружающую среду;

  7. определить максимальную температуру внутренней стенки

  8. определить максимальную температуру слоев наружной стенки

  9. построить график изменения температуры по толщине наружной стенки теплообменника (стальной внутренний цилиндр, теплоизоляция, наружная обшивка).

Ниже принята следующая система индексации:

• “г”- продукты сгорания; • “нар” - наружная стенка теплообменника;

• “в» - воздух; • “и”- изоляция;

• “ср» - средняя величина; • “о”- обшивка.

• “вн» - внутренняя стенка теплообменника;


Исходные данные

L,

мм

D,

мм

h,

мм

,

мм

hр,

мм

р,

мм

и

мм

0,

мм

n

1800

500

26

5

12

3

90

4

12


Схема движения теплоносителей - прямоток.
Состав продуктов сгорания


Объемные доли, %

CO2

H2O

N2

12

9

79


Режимные параметры


Начальная температура, К

Массовый расход, кг/час

Продуктов

сгорания

Tг0

Воздуха
Tв0

Продуктов сгорания

Gг

Воздуха
Gв

900

300

600

900


Примем температуру газов на выходе из теплообменника:
К.

Средняя температура газов:
К.
По табл. 6 (стр. 28) найдем теплофизические свойства газов среднего состава при температуре 865 К:




Для корректировки теплофизических характеристик (, и ) используем графики на рис. 8, 9 и 10 (стр. 30-31). Соответствующие поправки найдем при средней температуре газов 865 К и объемной доле водяных паров 0,09 (9 %, см. исходные данные).
; ; .
Теплоемкость и число Прандтля не корректируются.

С учетом найденных поправок окончательно будем иметь:



Температуру воздуха на выходе из теплообменника приближенно определим из уравнения теплового баланса (1) - стр. 7. Потери тепла в первом приближении примем 5%, а теплоемкость воздуха Дж/(кгК).

Уравнение (1) запишем в виде:
.
Отсюда найдем:


Округляя, примем
Средняя температура воздуха в теплообменнике:
К.
По таблице 5 (стр. 27) найдем теплофизические свойства воздуха при 326 К:


теплоотдача в цилиндрическом канале


Конвективная

составляющая


Средняя скорость движения газов;
м/с.
Число Рейнольдса для газов;

Режим течения - турбулентный. Для расчета коэффициента теплоотдачи от газов к стенке воспользуемся формулой (46) стр. 18.

Откуда конвективная составляющая коэффициента теплоотдачи от газов к стенке:
Вт/(м2К).

Радиационная

составляющая
Объем, занимаемый излучающим газом:
м3.
Площадь поверхностей, ограждающих излучающий объем газа:
м3.
Эффективная толщина излучающего слоя:
0,4 м.
Парциальные давления компонентов продуктов сгорания:
Па;

Па.
Соответствующие величины:
мПа (3,6 смата);

мПа (4,8 смата).

По графикам (рис. 4 , рис. 5) стр. 21-22 находим:



По графику (рис.6) стр. 22:

Для определения поправки предварительно вычислим:

мПа;

По графику (рис. 7) стр. 23:

Эффективная степень черноты газового объема:

По таблице 6 (стр. 8 «Задания и методические ...») степень черноты материала стенки трубы:



Приведенная степень черноты:

В первом приближении температуру стенки внутренней трубы теплообменника Tвн примем как среднее значение между температурой газа Tг ср и температурой воздуха Tв ср:

Плотность теплового потока излучением:
5245 Вт/ м2.
Коэффициент теплоотдачи излучением:
Вт/(м2К).
Коэффициент теплоотдачи от газов к стенке (суммарный):
Вт/(м2К).


теплоотдача в щелевом канале
Эквивалентный диаметр щелевого канала:
м.
Площадь сечения для прохода воздуха:


0,0432 м2.
Скорость воздуха:

м/с.
Число Рейнольдса для воздуха:

Режим течения - турбулентный. Поэтому воспользуемся формулой (46) для расчета числа Нуссельта (в предположении, что воздух течет в круглой цилиндрической трубе диаметром ):

40,2.
Для дальнейшей корректировки числа Нуссельта вычислим вспомогательные величины:






Внутренняя стенка

щелевого канала

По формуле (55) стр. 25:

Длина начального теплового участка по формуле (58):
м.
Так как , то поправка , вычисляемая по формуле (57) стр. 25, будет равна:
1,05.
Из формулы (56) стр. 26 следует, что
Число Нуссельта для внутренней стенки по формуле (54) стр. 26:
36,66.
Коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки щелевого канала к воздуху:
20,1 Вт/(м2К).


Наружная стенка

щелевого канала
Длина начального теплового участка:

1,84 м.

Так как , то поправка вычисляемая по формуле (60) стр. 26, будет равна:
1,051.
Число Нуссельта для наружной стенки щелевого канала по формуле (59) стр. 26:
38,24 .
Коэффициент теплоотдачи от воздуха к наружной стенке щелевого канала:
20,95 Вт/(м2К).
Теплопередача через внутреннюю стенку теплообменника


Поверхность гладкой части стенки:
2,81 м2 .
Поверхность ребер:
0,583 м2.
Поверхность ребристой стенки - формула (6):
3,393 м2 .
В условиях данной задачи можно принять:
20,1 Вт/(м2К).
Теплопроводность материала стенки внутренней трубы при T вн =595,5 К найдем из табл. 3.6 стр.8 («Задания и методические ...»):
Вт/(мК).
Число Био со стороны боковой поверхности ребра:

Коэффициент эффективности ребра по формуле (15):
0,968.
Приведенный коэффициент теплоотдачи от стенки внутренней трубы теплообменника к воздуху по формуле (7):
19,98 Вт/(м2К).
Площадь поверхности гладкой стенки внутренней трубы теплообменника (со стороны воздуха):
м2.
Линейный коэффициент теплопередачи по формуле (5):

5,995 Вт/(мК).
Для вычисления среднего температурного напора изобразим графически (без масштаба) изменение температур газов и воздуха по длине теплообменника:









Среднелогарифмический температурный напор:

Линейная плотность теплового потока:
, Вт/м.
Тепловой поток, передаваемый продуктами сгорания через внутреннюю стенку

(по уравнению теплопередачи):
Вт.
Тепловой поток, передаваемый продуктами сгорания через внутреннюю стенку

(по уравнению теплового баланса):
Вт.
Расхождение составляет порядка 22%, что превышает допустимое значение (5 %).

Поэтому необходимо выполнить еще одну итерацию, выбрав уточненные значения температур газа и воздуха на выходе из теплообменника.

Примем температуру газов на выходе из теплообменника:
.
Уточним значение температуры воздуха на выходе:

Средняя температура газов:
К.
Средняя температура воздуха:
К.
По сравнению с предыдущим расчетом разница в полученных значениях столь незначительна, что можно не пересчитывать теплофизические свойства газа и воздуха, а также коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи. Уточним средний температурный напор:
.

Линейная плотность теплового потока:
, Вт/м.

Тепловой поток, передаваемый продуктами сгорания через внутреннюю стенку (по уравнению теплопередачи):
Вт.


Тепловой поток (по уравнению теплового баланса):
Вт.
В этом случае расхождение между и не превышает 2,5%. Т.е. полученные данные можно считать окончательными.

Теплопередача через наружную стенку теплообменника

Конвекция
Примем среднюю температуру поверхности обшивки:
310 K.
Температура наружного воздуха (по заданию):
.
По таблице 5 стр. 27 при этой температуре:

кинематическая вязкость воздуха
м2/с,
теплопроводность
Вт/(мК),
число Прандтля
.
Число Грассгофа:
0,751010.
Комплекс:
0,531010.
Из формулы (62) следует, что имеет место турбулентный режим, и число Нуссельта будет равно:
241,3.

Отсюда:
3,54 Вт/(м2К).


Излучение
Степень черноты материала обшивки (алюминий) по табл. 3.6 стр.8 («Задания и методические ...»):

Плотность теплового потока излучением от наружной поверхности обшивки в окружающую среду:
5,79 Вт/ м2.
Коэффициент теплоотдачи излучением:
0,579 Вт/(м2К).
Суммарный коэффициент теплоотдачи от обшивки в окружающую среду:
Вт/(м2К).
По табл. 3.6 стр.8 («Задания и методические ...»):
коэффициент теплопроводности стекловаты
Вт/(мК),
коэффициент теплопроводности материала обшивки (алюминия)
Вт/(мК).
Среднюю температуру наружной стальной трубы теплообменника примем равной:

При этой температуре коэффициент теплопроводности стали по табл. 3.6 стр.8 («Задания и методические ...»):
Вт/(мК),
Соответствующие диаметры граничных поверхностей наружной трехслойной стенки:
0,5+2 (0,005+0,026)=0,562 м;

0.5+2 (20,005+0,026)=0,572 м;

0.5+2 (20,005+0,026+0,09)=0,752 м;

0,5+2 (20,004+0,026+0,09+0,004)=0,760 м.
Линейный коэффициент теплопередачи через наружную стенку:

0,260 Вт/(мК).
Средний температурный напор через наружную стенку в нашем случае можно определить как разность между средней температурой воздуха в теплообменнике и температурой окружающего воздуха (расчет по среднелогарифмической формуле здесь невозможен, т.к. меньший температурный напор равен в нашем случае нулю).
К.
Линейная плотность теплового потока через наружную стенку:
26,9 Вт/м.
Тепловой поток в окружающую среду:
Вт.
Величина тепловых потерь составляет:
0,27 %
от количества тепла, передаваемого воздуху в теплообменнике.
Средняя температура поверхности стенки Твн,1 со стороны внутреннего цилиндрического канала определяется соотношением:

где Tг,ср - средняя температура продуктов сгорания, К, - суммарный коэффициент теплоотдачи со стороны продуктов сгорания, Вт/(м2К).
Температура поверхности стенки Твн,2 со стороны щелевого канала (оребренной поверхности) определяется соотношением:


Распределение температур по толщине стенки описывается логарифмической зависимостью:



где - текущее значение диаметра ().
Расчетная средняя температура внутренней стенки определяется как средняя арифметическая величина:

Температуры соответствующих границ слоя рассчитываются по соотношениям:
















В качестве средней температуры каждого слоя может быть принята среднеарифметическая величина:






Результаты расчета:


Теплофизические характеристики воздуха

, Дж/(кгК)

, кг/ м3

, Вт/(м К)

, м2

1005

1,083

0,0285

18,26

Теплофизические характеристики продуктов сгорания

, Дж/(кгК)

,

кг/ м3

,

Вт/(м К)

,

м2




,


1212

0,397

0,072

91,29

0,14

0,8

Температура

Воздух

Продукты

сгорания

Стенки
























300

367

900

810

590,2

332,2699

317,6169

302,9661

Характеристики теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2К)

Эффективность

оребрения



























4,38

19,46

23,84

20,1

20,95

3,54

0,579

4,12

0,968

Теплофизические характеристики материала стенок

, Вт/(м К)

, Вт/(м К)

, Вт/(м К)

, Вт/(м К)

19,55

16

0,04

240

Характеристики теплопередачи

Площадь

поверхности

теплообмена,

м2

Средне-

логарифм.

температурный

напор, К

Линейный

коэффициент

теплопередачи,

Вт/(м К)

Тепловой

поток,

Вт

Линейная

плотность

теплового

потока, Вт/м






























3,393

4,3

523

33

5,995

0,26

54017,5

265,99

15782,44

26,9


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:


  1. Е.А. Краснощеков, А.С. Сукомел, Задачник по теплопередаче, Москва, изд. «Энергия»,1980.

  2. В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел, Теплопередача, Москва, изд. «Энергия»,1981.

  3. М.А. Михеев, И.М. Михеева, Основы теплопередачи, Москва, изд. «Энергия», 1977.

  4. Поверочный расчет теплообменного аппарата: Метод.указ. и задан. К курс.работе/ Самар.гос.техн.ун-т; Сост. Р.Ж. Габдушев. Самара, 2006.

  5. Поверочный расчет теплообменного аппарата: Метод.указ. и задан. к курс.работе/ Самар.гос.техн.ун-т; Сост. Р.Ж. Габдушев, В.И. Кугай. Самара,2006.


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации