Исследование термодинамических процессов и расчет теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЕ НЕФТЯНОЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСТИТ»

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

Курсовая работа

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

И РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

Уфа 2009г.

Реферат

Курсовая работа содержит пояснительную записку на 49 листах формата А4, включающую 6 рисунков, 2 таблицы и 3 литературных источника.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, ГАЗОВАЯ СМЕСЬ, ТЕПЛОТА ПРОЦЕССА, РАБОТА, ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ, ПОКАЗАТЕЛЬ ПОЛИТРОПЫ, ТЕПЛООБМЕН, РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ, ПРЯМОТОЧНОЕ И ПРОТИВОТОЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ.

В курсовой работе рассмотрены вопросы исследования и термодинамических процессов и расчета теплообменного аппарата. По результатам расчетов построены P-v и T-S диаграммы для заданных термодинамических процессов и получены конструктивные размеры теплообменного аппарата.

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

- теплоемкость политропная, ;

- теплоемкость изохорная, ;

- теплоемкость изобарная, ;

- знак дифференциала;

- энтальпия удельная, ;

- показатель адиабаты;

- работа удельная термодинамическая (закрытой системы), ;

- работа удельная потенциальная (открытой системы), ;

- показатель политропы;

- давление, Па;

- теплота удельная, ;

- газовая постоянная, ;

- энтропия удельная, ;

- термодинамическая (абсолютная) температура, К;

- температура, ?С;

- внутренняя энергия удельная, ;

- объем удельный, ;

- коэффициент распределения энергии;

- знак элементарной величины;

- знак изменения конечной величины;

- тепловая мощность,;

- внутренний диаметр кожуха аппарата, ;

- число трубок в теплообменнике;

- длина секции, ;

днак -толщина слоя накипи или отложений, ;

дс - толщина стенки трубок, ;

л - коэффициент теплопроводности,

dн, dв - соответственно наружный и внутренний диаметр трубок, ;

з - коэффициент использования теплоты;

w - скорость теплоносителя, ;

с - плотность, ;

dэ - эквивалентный диаметр, ;

н - коэффициент кинематической вязкости, ;

в - коэффициент объемного расширения, 1/К;

б - коэффициент теплоотдачи, ;

k0 - коэффициент, определяемый по величине числа Рейнольдса;

- число Нуссельта;

- число Рейнольдса;

- число Грасгофа;

- число Прандтля;

F - поверхность теплообмена, ;

К - коэффициент теплопередачи, ;

- площадь поверхности трубок одной секции, ;

- число секций теплообменника.

углеводородный смесь теплообменный аппарат

Введение

В термодинамике рассматриваются обратимые процессы. Все реальные процессы необратимы, они протекают с конечной скоростью (при наличии трения и диффузии) и при значительной разности температур РТ и источников теплоты.

Термодинамическим процессом называется изменение состояния термодинамической системы, характеризующееся изменением ее параметров. В качестве термодинамических систем могут рассматриваться некоторые объемы газов.

В основных технологических установках и устройствах нефтяной и газовой промышленности, наиболее часто встречающимися газами являются углеводородные или их смеси с компонентами воздуха и небольшим количеством примесей других газов. Это могут быть процессы в газгольдерах, пропан-бутановых хранилищах, сырьевых и товарных парков нефтеперерабатывающих заводов, нефтебаз, нефтеперекачивающих станций, а также в газораспределительных сетях газоснабжения населенных пунктов.

Целью термодинамического расчета является определение основных параметров газовой смеси в конечном состоянии

Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями.

В рекуперативных теплообменниках теплоносители непрерывно омывают разделяющую стенку (поверхность теплообмена) с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. В рекуперативном трубчатом теплообменнике один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности.

Цель конструктивного расчета состоит в определении величины поверхности теплообмена по известному количеству передаваемой теплоты и температурам теплоносителей на входе и выходе аппарата.

1. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ С ИДЕАЛЬНЫМИ УГЛЕВОДОРОДНЫМИ СМЕСЯМИ

1.1 Исходные данные для термодинамических расчетов

1 кг газовой смеси в распределительной газовой сети 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 . Начальная температура .

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.

Состав газовой смеси по объему:

Все расчеты были выполнены в соответствии с методическими указаниями [1].

1.2 Определение параметров газовой смеси одинаковых для всех термодинамических процессов

1.2.1 Определение кажущейся молекулярной массы смеси

1.2.2 Массовые доли смеси

1.2.3 Газовая постоянная смеси

1.2.4 Объем газовой смеси в начальном состоянии

1.2.5 Объем газовой смеси в конечном состоянии

1.3 Политропный процесс с показателем политропы

1.3.1 Давление газовой смеси в конечном состоянии



1.3.2 Температура газовой смеси в конечном состоянии

1.3.3 Средняя температура процесса

1.3.4 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

1.3.5 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.3.6 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.3.7 Термодинамическая работа процесса

1.3.8 Потенциальная работа процесса

1.3.9 Изменение внутренней энергии

1.3.10 Изменение энтальпии

1.3.11 Изменение энтропии

1.3.12 Теплота процесса

1.3.13 Коэффициент распределения энергии

1.3.14 Проверка правильности расчетов

1.4 Политропный процесс с показателем политропы

1.4.1 Давление газовой смеси в конечном состоянии

1.4.2 Температура газовой смеси в конечном состоянии

1.4.3 Средняя температура процесса

1.4.4 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси



1.4.5 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.4.6 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.4.7 Показатель адиабаты



1.4.8 Термодинамическая работа процесса

1.4.9 Потенциальная работа процесса

1.4.10 Изменение внутренней энергии

1.4.11 Изменение энтальпии

1.4.12 Политропная теплоёмкость

1.4.13 Теплота процесса

1.4.14 Изменение энтропии

1.4.15 Коэффициент распределения энергии

1.4.16 Проверка правильности расчетов

1.5 Политропный процесс с показателем политропы

1.5.1 Давление газовой смеси в конечном состоянии

1.5.2 Температура газовой смеси в конечном состоянии



1.5.3 Средняя температура процесса

1.5.4 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

1.5.5 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.5.6 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.5.7 Термодинамическая работа процесса



1.5.8 Потенциальная работа процесса

1.5.9 Изменение внутренней энергии

1.5.10 Изменение энтальпии

1.5.11 Изменение энтропии

1.5.12 Теплота процесса

1.5.13 Коэффициент распределения энергии

1.5.14 Проверка правильности расчетов

1.6 Политропный процесс с показателем политропы

1.6.1 Давление газовой смеси в конечном состоянии

1.6.2 Температура газовой смеси в конечном состоянии

1.6.3 Средняя температура процесса

1.6.4 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

1.6.5 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.6.6 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.6.7 Показатель адиабаты

1.6.8 Термодинамическая работа процесса



1.6.9 Потенциальная работа процесса

1.6.10 Изменение внутренней энергии

1.6.11 Изменение энтальпии

1.6.12 Политропная теплоёмкость



1.6.13 Теплота процесса

1.6.14 Изменение энтропии

1.6.15 Коэффициент распределения энергии

1.6.16 Проверка правильности расчетов

1.7 Политропный процесс с показателем политропы

Принимаем k=1,29

1.7.1 Давление газовой смеси в конечном состоянии

1.7.2 Температура газовой смеси в конечном состоянии

1.7.3 Средняя температура процесса

1.7.4 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

1.7.5 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.7.6 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.7.7 Показатель адиабаты



1.7.8 Давление газовой смеси в конечном состоянии

1.7.9 Температура газовой смеси в конечном состоянии

1.7.10 Средняя температура процесса

1.7.11 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

1.7.12 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.7.13 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.7.14 Термодинамическая работа процесса

1.7.15 Потенциальная работа процесса



1.7.16 Изменение внутренней энергии

1.7.17 Изменение энтальпии

1.7.18 Теплота процесса

1.7.19 Изменение энтропии

1.7.20 Коэффициент распределения энергии

1.7.21 Проверка правильности расчетов

1.8 Политропный процесс с показателем политропы

1.8.1 Давление газовой смеси в конечном состоянии

1.8.2 Температура газовой смеси в конечном состоянии

1.8.3 Средняя температура процесса

1.8.4 Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси



1.8.5 Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

1.8.6 Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

1.8.7 Показатель адиабаты



1.8.8 Термодинамическая работа процесса

1.8.9 Потенциальная работа процесса

1.8.10 Изменение внутренней энергии

1.8.11 Изменение энтальпии

1.8.12 Политропная теплоёмкость

1.8.13 Теплота процесса

1.8.14 Изменение энтропии

1.8.15 Коэффициент распределения энергии

1.8.16 Проверка правильности расчетов

Таблица 1 - Результаты термодинамического расчета

Показатель политропны														Относительная ошибка расчета, %
0	900000	3000000	0,170	0,306	320,15	576,27	539,90	662,582	1,521	122,68	0	662,582	0,815	0,0003
0,5	900000	670800	0,170	0,306	320,15	429,53	200,494	255,887	0,820	104,79	52,395	305,17	0,657	0,037
1	900000	500000	0,170	0,306	320,15	320,15	0	0	0,282	90,138	90,138	90,138	0	0
1,2	900000	444500	0,170	0,306	320,15	284,64	-57,775	-74,784	0,086	85,046	102,05	27,165	2,127	0,093
K	900000	419700	0,170	0,306	320,15	268,709	-41,342	-53,652	0	41,342	112,02	0		0
1,85	900000	303400	0,170	0,306	320,15	194,255	-192,493	-252,797	-0,483	70,946	130,41	-121,615	1,583	0,034

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 1.1 - Pv-диаграмма политропных процессов



Рисунок 1.2 - TS-диаграмма политропных процессов

Выводы

Проведенное исследование позволяет разбить все политропные процессы с от до при расширении газа на три группы:

I группа:. В этой группе , а следовательно, и ; здесь , а следовательно, . Так как , то теплоемкость в этой группе процессов положительна. Подведенная к газу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии и на совершение им работы расширения;

II группа: . Для этой группы , а следовательно, и ; и, следовательно, ; теплоемкость в процессах отрицательная, так как . Термодинамические процессы второй группы характерны тем, что работа расширения совершается как за счет подведенной к газу теплоты, так и за счет внутренней энергии;

III группа: . Здесь при расширении газа все параметры состояния уменьшаются (), но теплоемкость , т.е. положительная. В процессах этой группы расширение газа происходит с уменьшением его внутренней энергии и отдачей теплоты в окружающую среду.

2. РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

2.1 Исходные данные

В одноходовом кожухотрубном теплообменном аппарате горячий теплоноситель движется в межтрубном пространстве и охлаждается от температуры 130, ?С до 53, ?С.

Внутренний диаметр кожуха аппарата . Холодный теплоноситель движется внутри металлических трубок. Холодный теплоноситель нагревается от ,?С до , ?С.

Число трубок в теплообменнике n = 80. Трубки теплообменника с внутренней стороны покрыты отложениями (накипью) толщиной днак=0,2·10-3, м. Тепловая мощность, вносимая в ТОА, Qвн =600, кВт. Потери теплоты в окружающую среду составляют (1 - 0,98)·100, %.

Определить поверхность нагрева F и число секций N теплообменника. Длина секции lc = 5 м.

Расчет провести для прямоточного и противоточного направлений движения теплоносителей, а также при наличии накипи на трубах и при её отсутствии.

Известно также:

холодный теплоноситель - нефть;

горячий теплоноситель - вода;

лс = 45·10-3 кВт/(м·К);

лнак = 0,7·10-3 кВт/(м·К).

Внутренний диаметр трубок

Наружный диаметр трубок

Все расчеты были выполнены в соответствии с методическими указаниями [2].

2.2 Расчет коэффициента теплоотдачи

2.2.1 Средняя температура теплоносителей

2.2.2 Скорость движения теплоносителей

2.2.3 Числа Рейнольдса

режим течения горячего теплоносителя - переходный

режим течения холодного теплоносителя - ламинарный

2.2.4 Температура стенки

2.2.5 Числа Прандтля

При

.

При

.

При

.

При

.

2.2.6 Коэффициент

2.2.7 Число Грасгофа

режим течения ламинарный вязкостный.

2.2.8 Числа Нуссельта

При переходном течении (Reж,d = 2300…104)

При ламинарном вязкостном течении (Reж,d < 2300, Grж,d·Pr ж < 8·105)



2.2.9 Коэффициенты теплоотдачи

2.3 Конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата

2.3.2 Средний логарифмический температурный напор



2.3.3 Коэффициент теплопередачи

2.3.3.1 Коэффициент теплопередачи с учетом слоя накипи

2.3.3.2 Коэффициент теплопередачи без учета слоя накипи

2.3.4 Поверхность теплообмена

2.3.4.1 Поверхность теплообмена для противоточного теплообменника с учетом слоя накипи

2.3.4.2 Поверхность теплообмена для противоточного теплообменника без учета слоя накипи

2.3.5 Площадь поверхности трубок одной секции

2.3.6 Число секций теплообменника

2.3.6.1 Число секций противоточного теплообменника с учетом слоя накипи

(8 секции)

2.3.6.2 Число секций противоточного теплообменника без учета слоя накипи

(8 секции)

Таблица 2 - Сводная таблица расчетов теплообменного аппарата

Наименование	Схема движения теплоносителей
	прямоток	противоток
Средний температурный напор ?t , oC	_	45,151
Коэффициент теплопередачи при наличии накипи при отсутствии накипи	89,783 92,147
Поверхность нагрева F, м2 при наличии накипи при отсутствии накипи	_ _	145,05 141,328

2.4 Рекуперативный теплообменник с трубчатой поверхностью теплообмена (противоток)

Рисунок 2.3 - Эскиз секции с основными размерами

Выводы

Теплообменные аппараты могут иметь самое разнообразное назначение паровые котлы, конденсаторы, пароперегреватели, воздухонагреватели, радиаторы и т.д. Теплообменные аппараты в большинстве случаев значительно отличаются друг от друга как по своим формам и размерам, так и по применяемым в них рабочим телам.

Руководствуясь данным расчетом теплообменного аппарата можно произвести выбор типа аппарата и его конструктивные размеры. Также на основе результатов расчета можно составить конструктивную схему аппарата.

Заключение

По T-S и P-v диаграммам, построенной в результате термодинамических расчетов, можно судить о закономерности изменения температуры и энтропии в зависимости от показателя политропы. Эти закономерности таковы:

1) при показателях политропы изменение температуры и энтропии будет положительно, а значит, внутренняя энергия и теплота процесса тоже будут положительные. Подведенная к газу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии и на совершение им работы расширения;

2) при показателях политропы изменение температуры отрицательно, а изменение энтропии положительно, значит, внутренняя энергия будет отрицательной, а теплота процесса же положительной. Работа расширения совершается как за счет подведенной к газу теплоты, так и за счет внутренней энергии;

3) при показателях политропы изменение температуры и энтропии будет отрицательно, а значит внутренняя энергия и теплота процесса тоже будут отрицательные. Расширение газа происходит с уменьшением его внутренней энергии и отдачей теплоты в окружающую среду.

В процессе расчета теплообменного аппарата были рассчитаны основные параметры теплоотдачи, а также выполнен конструктивный расчет и построена схема соединения секций для рекуперативного теплообменника с трубчатой поверхностью теплообмена.

Расчеты проводились для двух возможных направлений движения: противоточного и прямоточного. В результате выполнения курсовой работы было выяснено, что при противоточном направлении движения необходимая поверхность теплообмена будет несколько меньше чем при прямоточном. Это означает что размещение теплообменного аппарата с противоточным направлением движения проще из-за его меньших габаритов. Так же было учтено влияние слоя накипи, и расчеты показали, что при её наличии поверхность теплообмена будет больше.

Список использованных источников

1. Баскаков А. П. Теплотехника: учебник для вузов - М.: Энергоатомиздат, 1991г. - 224с.

2. Латыпов Р. Ш. Техническая термодинамика и теплотехника: учеб. пособие. Уфа: УГНТУ, 2009. - 152с.

3. Теляшева Г. Д., Молчанова Р. А. Теплообмен. - Уфа: УГНТУ 2007г.

Размещено на Allbest.ru