Расчет теплообменника и выбор термодинамически совершенной компоновки

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Задание

Выбрать термодинамически наиболее совершенный воздухоподогреватель на основе теплового конструктивного, гидравлического расчетов и эксергетического анализа пяти вариантов.

Исходные данные к заданию:

WГ - скорость дымовых газов, м/c;

VГ - объемный расход дымовых газов, нм3/c;

tг' и tг” - температура дымовых газов на входе и выходе, С;

tв' и tв” - температура воздуха на входе и выходе, С;

dH - наружный диаметр трубок, мм;

д - толщина стенки трубок подогревателя, мм;

S - шаг между трубками, мм.

Дымовые газы движутся внутри труб, воздух движется в межтрубном пространстве, поперечно омывая пучки труб. Воздухоподогреватель размещается в газоходе прямоугольного сечения.

ТАБЛ. 1. Исходные данные

Примечания:

Расположение труб в пучках воздухоподогревателя принять для вариантов 1 - 15, 31 - 45 - шахматное, 16 - 30, 46 - 60 - коридорное.

2. Расчетная часть

2.1 Тепловой расчет воздухоподогревателя

1) Определим количество передаваемого тепла (теплопроизводительность аппарата) по уравнению теплового баланса:

Или

Где Qг, Qв - тепловой поток отданный газом и воспринятый воздухом.

Определим средние температуры для определения средних теплоёмкостей дымовых газов и воды:

Табл. 2

, м3/с

Тогда

2) Определяем общее число трубок подогревателя одного хода:

Где

гидравлический теплоноситель эксергия

3) Из уравнения теплового баланса определить массовый расход воздуха.

Определяем массовый расход воздуха:

4) При заданной скорости воздуха WВ = 0,5WГ определить сечение одного хода:

5) Определить коэффициенты теплоотдачи со стороны газов (бг) и со стороны воздуха (бв) по соответствующим формулам из [1, 2]. При определении коэффициента теплоотдачи между воздухом и наружной поверхностью труб (поперечное омывание пучка) необходимо предварительно задаться числом рядов в пучке по ходу воздуха:

Определим коэффициенты теплоотдачи со стороны газов:

21,9696

Определим коэффициента теплоотдачи между воздухом и наружной поверхностью труб:

Определим средний коэффициента теплоотдачи между воздухом и наружной поверхностью труб:

6) Коэффициент теплопередачи определяется по формулам из [1,2] или применительно к воздухоподогревателю можно рассчитать как где о - коэффициент использования поверхности нагрева, принять равным 0,7.

7) Определить среднелогарифмический температурный напор:

- если Дtmax <= Дtmin, среднелогарифмический температурный напор может быть подсчитан как среднеарифметический:

- если теплообменник работает по схеме перекрестного или смешанного тока, величина Дt определяется как Дt для противотока и умножается на поправочный коэффициент < 1.

Находим из графика поправочный коэффициент

Тогда с учетом поправочного коэффициента среднелогарифмический температурный напор будет равен:

8) Из уравнения теплопередачи определить необходимую поверхность теплообменного аппарата (FВП).

9) При известной поверхности нагрева определяется длина трубок воздухоподогревателя по формуле:

10) Определить число труб в поперечном ряду пучка:

Уточняем число рядов труб по ходу воздуха:

Определим габариты воздухоподогревателя:

Рис. 1

2.2 Гидравлический расчёт теплообменного аппарата и расчёт мощности

Основной задачей гидравлического расчета является определение потери давления по пути греющего и нагреваемого теплоносителей.

d - определяющий размер для данной секции, м;

о - коэффициент местного сопротивления, рассчитываемый по формуле (для турбулентного режима):

где Prc, Ргж - числа подобия Прандтля соответственно при температуре стенки (рассчитывается как средняя температура между средними температурами воды и конденсата) и при температуре жидкости.

Мощность насосов для преодоления гидравлического сопротивления аппарата находим по формуле, кВт:

где М - массовый расход среды, кг/с;

?P - полный напор, Па;

с - плотность среды, кг/м3;

з - коэффициент полезного действия насоса, для данной работы принимаем КПД равным 70 %.

Для дымовых газов:

а) коэффициент местного сопротивления:

б) Потери давления на преодоление сил трения:

Местные сопротивления обусловливаются вихреобразованием в местах изменения сечения канала и преодоления отдельных препятствий, например при входе, выходе, сужении, расширении, повороте и т.д. Местные сопротивления определяются по формуле:

в) мощность дымососа для преодоления гидравлического сопротивления аппарата:

Найдем для воздуха :

а) коэффициент местного сопротивления:

б) Потери давления на преодоление сил трения:

Местные сопротивления обусловливаются вихреобразованием в местах изменения сечения канала и преодоления отдельных препятствий, например при входе, выходе, сужении, расширении, повороте и т.д.

Местные сопротивления определяются по формуле:

на входе:

на выходе:

Поворот на 180° через перегородку в межтрубном пространстве:

в) мощность вентилятора для преодоления гидравлического сопротивления аппарата: кВт:

Расчет для вариантов № 37-40 аналогичен.

2.3 Расчет эксергетического КПД

Основной задачей расчетов является определение эксергетического коэффициента полезного действия зеx:

где МА - массовый расход греющего теплоносителя;

УД - потеря внутренней эксергии в аппарате, находим по формуле:

здесь ДТ - техническая потеря эксергии, связанная с гидравлическим сопротивлением при теплообмене, находим по формуле:

где NГ, NH - мощность, затрачиваемая соответственно на перемещение греющего и нагреваемого теплоносителя;

Дс - собственная потеря эксергии, вызванная неравновесным теплообменом:

где Q - тепловая мощность ТОА;

?фе -- разность эксергетических температур, всегда берется так, чтобы из большей по абсолютной величине эксергетической температуры е вычитать меньшую:

Средние термодинамические эксергетические температуры вычисляются по формулам:

- для греющего теплоносителя:

- для нагреваемого теплоносителя:

где Тm1 , Тm2 - средние термодинамические температуры соответственно греющего и нагреваемого теплоносителей, находим по формулам:

- изменение энтальпии греющего теплоносителя

- изменение энтальпии нагреваемого теплоносителя;

- изменение энтропии греющего теплоносителя;

- изменение энтропии нагреваемого теплоносителя в теплообменном аппарате;

- температура (К) греющего теплоносителя на входе и выходе теплообменного аппарата;

- температура (К) нагреваемого теплоносителя на входе и выходе ТОА.

TО.С. - температура окружающей среды, принимаем TО.С. =293,15 К.

- удельная эксергия греющего теплоносителя на входе и выходе ТОА соответственно, находим по формуле:

где cp - средняя теплоемкость греющего теплоносителя в указанном диапазоне температур.

1. Средние термодинамические температуры греющего и нагреваемого теплоносителей:

2. Средние термодинамические эксергетические температуры:

- для греющего теплоносителя:

- для нагреваемого теплоносителя:

3. Разность эксергетических температур:

4. Разность удельных эксергий:

5. Эксергетический КПД:

2.4 График зависимости эксергетического КПД от скорости греющего теплоносителя

Из графика зависимости эксергетического КПД от скорости греющего теплоносителя видно, что наиболее совершенной с термодинамической точки зрения оказалась компоновка из варианта №24. При следующих заданных значениях эксергетический КПД оказался наибольшим:

Табл. 3

При этом расчетные значения приведены ниже:

а) скорость воздуха:=4 ;

б) площадь сечения одного хода: fB = 1.763 ;

в) площадь поверхности теплообмена: FBП = 647.293 м2 ;

г) длина тррубок воздухоподогревателя: L=3,083 м;

д) число трубок: N = 1672 шт;

е) число рядов : =21 ;

ж) эксергетический кпд: = 43,67

Заключение

В ходе курсовой работы в результате теплового, конструктивного и гидравлического расчетов был проведен эксергетический анализ и подобрана компоновка наиболее совершенного варианта ТОА. Были получены практические навыки в проектировании ТОА с конфигурацией противотока.

Литература

1. Новоселов И.В., Репин В.В., Абузова Ф.Ф. Расчёт теплообменника и выбор термодинамически совершенной компановки. - Уфа: издательство УГНТУ, 2017.

Размещено на Allbest.ru