Кафедра теплотехники и энергоэффективных технологий

Министерство образования и науки Украины

Национальный технический университет

«Харьковский политехнический институт»

Курсовая работа

На тему:

«ТЕПЛОВОЙ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

ЭКОНОМАЙЗЕРА»

по курсу

                       «ТЕПЛО И МАССООБМЕНу»

Вариант 8

Руководитель:

Воробьев В.М.

Выполнил:

студент гр. ЭМ-40 Ермоленко Е.В.

Харьков 2013

Содержание

Введение………………………………………………………………………..2

Исходные данные……………………………………………………………...4

1. Тепловой расчёт …………………………………………………………..5

1.1. Расчет геометрических характеристик экономайзера …………..5

1.2. Расчёт коэффициентов теплоотдачи ……………………………...6

1.3. Расчёт теплового потока по уравнению теплопередачи ……….9

2. Гидравлический расчёт …………………………………………………..12

2.1 Полное сопротивление теплообменника по газовому тракту.….12

2.2 Полное сопротивление теплообменника по водяному тракту….13

Итоговая таблица расчета экономайзера…………………………………...15

Таблицы и рисунки…………………………………………………………...16

Литература…………………………………………………………………….24

Введение

В данной курсовой работе проводится поверочный расчёт экономайзера типа ЦККБ, схема которого представлена на рисунке 1. Экономайзер представляет собою теплообменный аппарат рекуперативного типа, предназначенный для нагревания воды с использованием теплоты уходящих газов из парового котла или какого-либо технологического агрегата. Газы (продукты горения органического топлива) двигаются в экономайзере сверху – вниз, а нагреваемая в трубах вода – снизу вверх, кроме того, трубы располагаются горизонтально, т.е. имеет место противоточно-перекрестное движение воды и газов.

Экономайзер ЦККБ выполнен из литых чугунных оребрённых труб. На концах трубы имеют квадратные фланцы, которые при сборке экономайзера образуют две стенки газохода. Газоплотность этих стенок обеспечивается прокладкой уплотнительного шнура в торцевые канавки фланцев. Таким образом, в экономайзерах этого типа используется коридорный пучок труб. Один размер газохода определяется длиной трубы за вычетом толщины двух фланцев, а шаг труб по фронту пучка определяется горизонтальным размером фланца. Второй размер газохода определяется числом труб в горизонтальном ряду и шагом по фронту. Шаг труб в глубину пучка определяется вертикальным размером фланца трубы.

В экономайзере ЦККБ, который используется в котлах малой производительности, весь расход воды направляется по одной трубе, т.е. данный тип экономайзера не имеет коллектора. Вода поступает в крайнюю трубу нижнего ряда. По горизонтальным чугунным коленам вода проходит последовательно из одной трубы ряда в другую, поворачиваясь при этом на 180°. Затем по вертикальному колену переходит в следующий ряд труб и т.д. до выхода из экономайзера.

Рисунок 1 – Схема экономайзера

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Расход воды М_в=17 т/час.

Давление воды Р _в=22 бар.

Температура воды на входе в экономайзер t'_в=70 ^оС.

Температура газа на входе в экономайзер t'_г=450 ^оС.

Скорость газа на входе в экономайзер W_го=11 м/с.

Число труб в горизонтальном ряду n=6 шт.

Число рядов труб по ходу газа m=12 шт.

Шаг труб по фронту пучка S₁=0,248 м.

Шаг труб в глубину пучка S₂=0,288 м.

Внутренний диаметр трубы экономайзера d₁=0,1 м.

Внешний диаметр трубы экономайзера d₂=0,12 м.

Диаметр кольцевых рёбер d_р=0,24 м.

Шаг рёбер t=0,025 м.

Толщина ребра 2δ=0,008 м.

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

1.1. Расчет геометрических характеристик экономайзера

Живое сечения для потока воды

.

Ширину газохода в свету для сечения нормального направлению потока газа для экономайзера ЦККБ принимаем А=1,845 м.

Глубина газохода в свету для сечения нормального направлению потока газа

.

Коэффициент загромождения определяется по геометрическим размерам оребренных труб для одного шага по фронту потока и между ребрами

.

Живое сечение для потока газа

f_г = K_з×A×B =0,361×1,488×1,845=0,991 м².

Для прямого кольцевого ребра полная поверхность ребра

.

Коэффициент оребрения поверхности экономайзера

.

Активная длина труб

                                   L_а = m×n×A=6×12×1,845=132,84м.   

Поверхность теплообмена со стороны воды

F_в = p×d₁×L_а=3,14×0,1×132,84=41,7 6м².

При известной поверхности теплообмена со стороны воды и рассчитанном коэффициенте оребрения поверхность теплообмена со стороны газа

F_г = j ×F_в=10,2×41,7=426,444 м².

1.2. Расчет коэффициентов теплоотдачи

Предварительно принимаем температуру газа на выходе из экономайзера = 150°C.

Средняя температура газов

`t_г = 0,5( + )=0,5(150+450)=300°C.

Массовый расход газа

r_г0 (по ) = 0,491 {табл. П.5}

M_г = w_г0×f_г× r_г0=11×0,991×0,491=5,35 м/с.

Тепловой поток, передаваемый от газа воде

C_pmг (по  =300) = 1,122 {табл. П.5}

Q_б = M_гC_pmг ( – )=5,35×1,122(450-150)=1800,81 кВт.

Температура воды на выходе из экономайзера

(по ) = 4,187 {табл. П.5}

М_в=17 т/час = 4,72 кг/с

.

Средняя температура воды

`t_в = 0,5× ( + )=0,5×(70+161,1)= 115,55 ^оС.

Уточнив теплоемкость воды по средней температуре воды, пересчитываем температура воды на выходе из экономайзера

(по = 115,55) = 4,24 {табл. П.4}

.

Средняя температура воды

`t_в = 0,5× ( + )=0,5×(70+159,9)= 114,95 ^оС.

Так как расхождении  с первым приближением не более 5⁰C для дальнейшего расчёта принимаем t_в=114,95 ^оС.

Учитывая, что интенсивность теплообмена со стороны воды примерно в 10 раз выше, чем со стороны газа, даже с учетом оребрения последней, можно принять среднюю температуру стенки трубы

=(10×114,95+300)/11=131,77 ^оС.

Средняя скорость воды из уравнения неразрывности.

 (по =114,95 ) = 947,1 {табл. П.4}

;

Вычисляем критерий Рейнольдса

 (по =114,95 ) = 0,261 {табл. П.4}

Re_ж,d = =0,63×0,1×10⁶/0,261=241379,31

Рассчитываем критерий Нуссельта

 (по =114,95 ) = 1,536 {табл. П.4}

 (по t_ст =131,77 ) = 1,334 {табл. П.4}

  Коэффициент теплоотдачи

(по t_{в ср.} = 114,95 ) = 0,6855

.

Средняя скорость газа из уравнения неразрывности

Вычисляем критерий Рейнольдса

Re_ж,t = =8,75 ×0,025×10⁶/45,81=4775.

Рассчитываем критерий Нуссельта

Коэффициент теплоотдачи

 (по = 300) = 0,0484

.

Эффективная степень черноты стенки

                                   e_ст.эф = .   

Излучающий газовый объем

V = (S₁×S₂ – )×(t –2d) + 2d(S₁×S₂ – )=(0,248×0,288-                       -3,14×0,12²/4)(0,025-0,008)+0,008(0,248×0,288-3,14×0,24²/4)=0,00102 м³.

Лучевоспринимающая поверхность

F = pd₂×(t – 2d) + f_р=3,14×0,12(0,025-0,008)+0,0739=0,08021 м².

Эффективная длина пути луча

l_эф = 3,6 .

Степень черноты газов

при

                         .

Поглощательная способность газа

Плотность теплового потока излучением от газа к стенке трубки

q_л = e_ст.эф×C₀

Коэффициент теплоотдачи для лучистого теплообмена

a_2л = .

Суммарный коэффициент теплоотдачи

a₂ = a_2к + a_2л =32,99+1,52=34,51 Вт/(м²К).

1.3. Расчет теплового потока по уравнению теплопередачи

Для определения эффективности ребра по номограммам, рассчитаем аргументы m и d_р/d₂

                         .

d_р/d₂=0,24/0,12=2.

Эффективность ребра h=0,65.

Коэффициент теплопередачи, отнесенный к погонному метру трубы

.

Разности температуры между теплоносителями на одном конце экономайзера

Dt₁= t'_г - t''_в=450-159,9=290,1 ^оС.

Разности температуры между теплоносителями на другом конце экономайзера как

Dt₂= t''_г - t'_в=150-70=80 ^оС.

Средняя разность температуры при чистом противотоке

.

Поправка Y на перекрестный ток определяется по номограмме в зависимости от параметров

P = .

R = .

Однако, для многократного перекрестного хода, что имеет место в экономайзерах, необходимо вместо параметра P использовать

.

Поправка на перекрестный ток Y=1 .

Средний температурный напор

.

Тепловой поток в экономайзере по уравнению теплопередачи

Q_к = .

Тепловой поток в экономайзере найденный по уравнению теплопередачи

Q_к =1411,553 отличается от теплового потока найденному по уравнению теплового баланса Q_б=1800,81  на 21,6%, что более 5%. Следовательно требуется делать 2-е приближение.

Принимаем в качестве второго приближения среднее значение теплового потока между полученными Q_б и Q_к.

Q_р=0,5(Q_б+Q_к);

Q_р=0.5*(1800,81+   1411,553)= 1606,182 кВт;

Q_в=М_гС_рmг(t - );

=(M_гС_сpmгt -Q_p)/M_гС_сpmг=(5,35 *1,122*450-1606,182)/( 5,35 *1,122)= 182,42°C;

= + Q_р/M_вС_рmв =70+(1606,182/(4,72*4,195))= 151,12°C;

Разности температуры между теплоносителями на одном конце экономайзера

Dt₁= t'_г - t''_в=450-151,12=298,88 ^оС.

Разности температуры между теплоносителями на другом конце экономайзера как

Dt₂= t''_г - t'_в=175-70=105 ^оС.

Средняя разность температуры при чистом противотоке

.

P = .

R = .

Однако, для многократного перекрестного хода, что имеет место в экономайзерах, необходимо вместо параметра P использовать

.

Поправка на перекрестный ток Y=1 .

Средний температурный напор

.

Тепловой поток в экономайзере по уравнению теплопередачи

Q_к = .

Тепловой поток в экономайзере найденный по уравнению теплопередачи

Q_к = 1604,027 отличается от теплового потока найденному по уравнению теплового баланса Q_б=1606,182  на 0,13%, что менее 5%. Следовательно расчет можно считать законченными.

3. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

3.1. Полное сопротивление теплообменника по тракту каждого теплоносителя

Первые два вида сопротивлений – линейные, так как распределяются по всей длине канала для теплоносителя, остальные – местные, так как локализуются на ограниченном участке тракта.

Если учесть специфику конструкции экономайзера, то его аэродинамическое сопротивление (потери давления по газовому тракту) слагается из потерь давления трения и потерь, связанных с охлаждением газа в канале, т.е.

DP_г =DP_тр +DP_охл .

    DP_г=167,74 +(-11,69)= 156,05 Па.

При расчете гидравлического сопротивления экономайзера (потери давления по водяному тракту) можно пренебречь изменением давления вследствие изменения температуры воды из-за незначительного изменения ее плотности. Тогда полное гидравлическое сопротивление экономайзера складывается из сопротивления трения при движении воды в трубах и местных сопротивлений, связанных с изменением направления движения воды на поворотах, а также при входе воды из коллектора в трубы и выхода воды из труб в выходной коллектор, т.е.

DP_в = DP_тр + å DP_м .

DP_в=5092,32 +441,7 =5534,02 Па

3.2. Потери трения и охлаждения газа

Потери напора, вызванные трением, при движении газа в пучках оребренных труб определяются по следующим уравнениям

    для коридорных пучков труб при 10⁴ < Re < 6×10⁶

              DP_тр = 0,17 ×m × ;

DP_тр =0,17*12*((0,65*8,75²)/2)*((0,025-0,008)/0,12)^-0,72*(0,06/0,12)^0,3=

=2,04*24,88*4,08*0,81=167,74 Па.

где m – число труб по ходу газа.

Изменение давления, связанное с охлаждением газа при прохождении пучка труб можно определить как

DP_охл = 2 × ,

DP_охл=2*((175-450)/ 585,5)*(0,65*8,75²)/2=-0,47*24,88=-11,69  Па.

где `T_г – средняя абсолютная температура газа, K.

3.3. Потери трения при движении воды в трубах

Потери трения при течении воды в трубах экономайзера определяются по уравнению

DP_тр =x_тр×  ,

DP_тр=0,02*(135,47/0,1)(947,1*0,63²)/2=27,094*187,95=5092,32 Па,

где x_тр – коэффициент гидравлического сопротивления; l – длина одного змеевика экономайзера от выхода из нижнего коллектора до входа в верхний коллектор (с учетом длины поворотов потока).

x_тр=f(d₁/∆;Re);

Задаемся ∆=0,1*10^-3 ;

Тогда x_тр=0,02;

Для экономайзера ЦККБ, не имеющего коллекторов, длина трубы должна считаться от входа воды в экономайзер до ее выхода с учетом длины всех поворотов потока как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях, т.е.

=

=135,47 м,

где l_тр – полная длина одной трубы экономайзера.

3.4. Потери напора, связанные с местными сопротивлениями при движении воды в трубах

Местные потери давления определяют по закону Дарси

DP_м = x_м × ,

                                               DP_м=2,3501*(947,1*0,63²)/2=441,7 Па;

где x_м – коэффициент местного сопротивления.

Коэффициент местного сопротивления при входе и выходе потока находится по графику в зависимости от отношения площади сечения одной трубки к площади сечения коллектора.

Коэффициент сопротивления при повороте потока можно определить как :

x₀ = f(R/d₂) определяется по графику в зависимости от отношения радиуса изгиба трубы R (по оси трубы) к ее внешнему диаметру d₂;

R₁=248мм; ξ₀₁=f(R₁/d₂)=f(248/120)=f(2.06)=0.105;

R₂=288 мм;    ξ₀₂=f(R₂/d₂)=f(288/120)=f(2.4)=0.1;

ξ _м1= ξ₀₁*B(m-1); ξ _м1=0.105*1.42(12-1)=1.6401;

ξ _м2= ξ₀₂*B(n-1); ξ _м2=0.1*1.42(6-1)=0.71

ξ _м= ξ _м1+ ξ _м2;     ξ _м=1.6401+0.71=2.3501

B = f (a) (поправочный коэффициент на угол изгиба) определяется по графику При a=90° B = 1. Для a <90° B<1, при a > 90° B >1.

B=1.42

Основные результаты теплового и гидродинамического расчета экономайзера свести в итоговую таблицу, приведенную ниже.

Итоговая таблица расчета экономайзера

Наименование величины

Обозначение

Размерность

данные

Активная длина труб

L_a

М

132,84

Коэффициент оребрения

j

10,2236

Эффективность ребра

h

0,65

Сечение для воды

f_в

м²

0,00785

Сечение для газа

f_г

м²

0,991

Средняя скорость воды

м /с

0,63

Средняя скорость газа

м /с

8,75

Расход воды

M_в

кг / с

4,72

Расход газа

M_г

кг / с

5,35

Коэффициент теплопередачи

K_l

Вт/ (мК)

65,15

Тепловой поток

Q

кВт

1604,027

Потери давления по воде

DP_в

Н / м²

5534,02

Потери давления по газу

DP_г

Н / м²

156,05

Таблица П.4 - Теплофизические характеристики воды

t

°C

р

бар

r

кг/м³

i¢

кДж/кг

C_p

кДж/(кгК)

l

Вт/(мК)

n×10⁶

м²/с

Pr

1,013

995,7

125,7

4,174

0,618

0,805

5,42

1,013

992,2

167,5

4,174

0,635

0,659

4,31

1,013

988,1

209,3

4,174

0,648

0,556

3,54

1,013

983,2

251,1

4,179

0,659

0,478

2,98

1,013

977,8

293,0

4,187

0,662

0,415

2,58

1,013

971,8

335,0

4,196

0,669

0,365

2,23

1,013

965,3

377,0

4,208

0,676

0,326

1,97

1,013

958,4

419,1

4,220

0,684

0,295

1,75

1,43

951,0

461,4

4,233

0,685

0,272

1,60

1,98

943,1

503,7

4,250

0,686

0,252

1,47

2,70

934,8

546,4

4,266

0,686

0,233

1,35

3,61

926,1

589,1

4,287

0,685

0,217

1,26

4,76

917,0

632,2

4,313

0,684

0,203

1,17

6,18

907,4

675,4

4,346

0,681

0,191

1,10

7,92

897,3

719,3

4,380

0,676

0,181

1,05

10,03

886,9

763,3

4,417

0,672

0,173

1,03

Таблица П.5 -  Теплофизические характеристики дымовых газов

( р_г = 1 бар; 0,11;  0,16 )

t,

°C

r,

кг/м³

С_р,

кДж/(кгК)

l×10²,

Вт/(мК)

n×10⁶,

м²/с

Pr

0,950

1,068

3,13

21,54

0,69

0,784

1,097

4,01

32,80

0,67

0,617

1,122

4,84

45,81

0,65

0,525

1,151

5,70

60,38

0,64

0,457

1,185

6,56

76,30

0,63

     0   200    400  600    800 1000 1200 1400 1600 1800 °С

                       Рисунок П.10 - Степень черноты СО₂

Рисунок П.11 - Степень черноты Н₂О

Рисунок П.12 - Поправочный коэффициент к степени черноты Н₂О

Рисунок П.13 - Эффективность кольцевых ребер

Рисунок П.14 - Эффективность квадратных ребер

Таблица П.6 – Зависимость температуры кипения воды от давления

р_в, бар

 t_н , °C

р_в, бар

 t_н , °C

120,2

217,2

143,6

221,8

158,8

226,0

170,4

230,0

179,9

233,8

188,9

237,4

195,0

240,9

201,4

244,2

207,1

247,3

212,4

250,3

Рисунок П.15 - Поправка к температурному напору на перекрестное течение теплоносителей (однократный - Р, многократный - Р₁)

Рисунок П.16 – Коэффициент трения при течении в трубах

Рисунок П.17 – Коэффициент сопротивления при сужении и расширении (скорость принимается по узкому сечению)

Рисунок П.18 - Исходный коэффициент сопротивления поворота потока на 90°

Рисунок П.19 - Поправочный коэффициент на угол поворота

ЛИТЕРАТУРА

1.Сидельковский Л.Н., Юреньев В.Н. Парогенераторы промышленных предприятий. - М.: Энергия, 1978.

2. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. - М.: Энергия, 1981.

3. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справ. пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

 4. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. - М.: Энергия, 1980. 

5. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М.: Машиностроение, 1992.

Познавательные статьи:



Как правильно слушать собеседника

Типичные ошибки при выполнении бросков в баскетболе

Принятие христианства на Руси и его значение

Средства массовой информации США