Расчет подогревателя воды выхлопными газами ГТД

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

УФИМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВИАЦИОННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет авиационных двигателей

Кафедра авиационной теплотехники и теплоэнергетики

Расчетно-графическая работа

Расчет подогревателя воды выхлопными газами ГТД

Группа ТЭМ-505

Студент Азнабаева А.З.

Уфа 2014

1. Расчет подогревателя воды выхлопными газами ГТД

Исходные данные:

= 5,267 кг/с - расход газа в межтрубном пространстве;

= 624 K (351^оC) - температура газа на входе в теплообменник;

= 113000 Па - давление на срезе сопла на входе в теплообменник;

= 116,3 - скорость газа на срезе сопла ;

F_c = 0,062 м² (? = 0,28 м) - площадь сопла на срезе;

= 101325 Па - давление за теплообменником;

= 327 К (54^оC) - температура газа за теплообменником;

= 4·10⁵ Па - давление воды (температура кипения Т_к =143^оС);

= 10^оС - температура воды на входе в теплообменник;

= 110^оС - температура воды на выходе из теплообменника;

= 0,09 м/с - скорость воды в трубках;

= 0,0148 м - наружный диаметр трубок;

= 0,0002 м - толщина металла стенки трубок;

= 0,00025 м - толщина стального листа оребрения трубок;

= 0,001 м - зазор между ребрами;

=0,001+0,00025=0,00125 м - шаг оребрения;

?_{металла} = 16 Вт/(мК) - коэффициент теплопроводности металла.

2. Схема теплообменника

Расположение трубок шахматное.

число ходов воды, принято =2, число ходов газа, принято = 1.



Рис. 1. Схема ходов теплоносителей

Расчет геометрии пучка трубок

Задаемся: диагональным шагом трубок и параметром .

Шаг трубок поперечный:

= 1,7·0,0148=0,02516 м.

Шаг трубок продольный

=м.

Высота ребра по ходу газа

==0,00635 м.

Высота ребра поперечная

== 0,00518 м.

Примем среднюю высоту ребра как

=0,00559 м.

Осредненный диаметр выдавок в оребрении для обеспечения зазора между пластинами

.

Коэффициент загромождения фронта теплообменника трубками и оребрением (штыри - выдавки вне узких сечений)

=0,329.

Рис. 2. Геометрия пучка труб и оребрения

3. Расчет передаваемой теплоты в теплообменнике по падению температуры газа

=5,267·1051,4·(624-327)=1644704 Вт,

где =1004,8·(1+0,000229·(351+54)/2)= =1051,4 Дж/(кгК).

Требуемая эффективность теплообменника по исходным параметрам (по минимальному водяному эквиваленту теплоемкости секундного расхода)

===0,871.

Потребный расход воды

==3,928 кг/с.

Средняя температура воды

== 333 К (60 ^оС).

Средняя температура газа

==475,5 К (202,5 ^оС).

Рис. 3. Противоточная схема течения теплоносителей

Среднелогарифмический температурный напор для чистой противоточной схемы

=115,8 ^оС.

Для выбранной схемы теплообменника вводится поправка

,

где ==2,97, ==0,29 .

Из графика рис. 4 по R=2,97 и P= 0,29 находится =0,76.



Рис. 4. Зависимость поправки ? от параметров P и R и от схемы течения теплоносителей

Точное значение ? рассчитывается по формуле

=

==0,93.

Среднелогарифмический температурный напор перекрестной схемы

=115,8·0,93= 107,7 ^оС.

Число Рейнольдса в трубках

=2776,9,

где принимаем из таблиц, либо по формуле (при t_в=60 ^оС)

= 4,667·10^-7 м²/с,

где = =0,06.

Таблица 1 Зависимость теплофизических свойств воды от температуры

		Pr
0	-0,0852	13,0	0,569
10	0,0823	9,28	0,587
20	0,2067	6,94	0,604
30	0,3056	5,39	0,618
40	0,389	4,3	0,632
50	0,4623	3,54	0,643
60	0,5288	2,96	0,654
70	0,59	2,53	0,662
80	0,6473	2,2	0,670
90	0,7018	1,94	0,676
100	0,752	1,75	0,683
110	0,808	1,6	0,685
120	0,864	1,47	0,686
130	0,919	1,37	0,686
140	0,972	1,26	0,685

Число Нуссельта в трубах

==23,1

где выбираем из таблицы в зависимости от температуры воды t_в (при t_в =60 ^оС значение =2,96); выбирается из таблицы в зависимости от температуры стенки трубки t_w (в первом приближении ==131,25^оС, тогда значение =1,36).

Коэффициент теплоотдачи в трубах

==1049,1 ,

где =0,654 выбирается из таблицы по температуре воды;

=0,0144 м - внутренний диаметр трубок.

Для определения общей длины трубок в первом приближении примем температуру стенки трубки 5= 131,255=126,25^оС (за счет оребрения), тогда из формулы для теплового потока через общую площадь внутри трубок в виде получим выражение для площади внутри трубок

==23,66м²,

где =126,25^оС.

Общая длина трубок внутренним диаметром =0,0146 м

==523 м.

По расходу воды и ее скорости определим число трубок на вход воды (площадь сечения одной трубки )

==268,1(принято 270 трубок).

Длина изогнутой трубки от входа к выходу на =2 ( число ходов)

== 1,94 м.

Высота теплообменника при 2 ходах трубок (=2)

==0,97 м.

Число трубок в 1 ряду фронта при числе рядов по ходу газа m (в первом приближении принято m=6)

==45.

Ширина теплообменника по фронту

, =45·0,02516=1,1 м².

Площадь фронта

, =0,97 ·1,1=1,067 м².

Площадь проходных ячеек во фронте

, =1,067·0,329=0,351 м².

Скорость в ячейках в узком сечении межтрубного пространства

= = 19,1 м/с,

где плотность газа при этой температуре ? =p_{среднее}/RT_{среднее}= =0,5(+)/(287·(202,5+273))= 0,785 кг/м³.

Коэффициент теплоотдачи в ячейках ([1], с.137)

=

==

=114,3 ,

где для газа

= =0,04 .

Pr_г = 0,7; _г = = 34·10^-6 м²/с .

Проверка по формуле для течения в щели

Число Рейнольдса в щели

= =1127,3 ,

где зависимость динамической вязкости от температуры

? = 20,92·10^-6 (1+0,00135·t).

При средней температуре газа 202,5 ^оС

? = 20,92·10^-6 (1+0,00135·202,5)= 2,66·10^-5 Па·с

(< 2300, следовательно, течение ламинарное).

Среднее число Нуссельта при ламинарном течении в канале определится по формуле ([2], c. 80)

=

==3,6

Коэффициент теплоотдачи

==72.

Проверка по формуле обтекания пучка трубок в щели

Число Рейнольдса по диаметру трубок в щели

 = 8342,2

Для шахматного пучка труб при Re_D > 1000 число Нуссельта определяется по формуле ( [2] c. 101)

=0,35·8342,2^0,6=79

Коэффициент теплоотдачи

==213,5.

Принимается значение коэффициента теплоотдачи со стороны газа как среднеарифметическое от и

=0,5·(+) = 0,5·(114,3+213,5) = 163,9.

Коэффициент оребрения трубок

=

==18,1

теплообменник оребрение гидросопротивление

4. Расчет эффективности ребра

Параметр ребра

==286,3,

где u периметр сечения ребра; f площадь сечения ребра (рис. 5).

Рис. 5

Для тонкого пластинчатого ребра шириной l и толщиной ? периметр равен u=2(l+?), а площадь f = l·? . Так как l>>?, то величиной ? можем пренебречь, тогда под корнем

.

Определяется произведение параметра на высоту ребра (где высота ребра вычислена ранее по и )

=286,3·0,0056=1,6.

Отношение наружного радиуса круглого ребра к его внутреннему (прямоугольник со сторонами и , внутри которого окружность с наружным диаметром трубки , заменен эквивалентным кольцом с внешним диаметром +2·) определится как (рис. 6)

=

Рис. 6

По произведению параметров ребра ()=1,6 и отношению =1,76 из графиков [3] (рис. 7) определяется эффективность ребра ? 0,5

Рис. 7. Графики зависимости эффективности круглого ребра от наружного и внутреннего его радиусов

Эффективный коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве [4]

=163,9·18,1·0,5=1483,3.

При оребрении из стали Я1Т коэффициент теплопроводности , тогда коэффициент теплопередачи (в пренебрежении кривизной тонкостенной трубки) определится по формуле [4]

=610.

Передаваемое количество теплоты через теплообменник со стальным оребрением в первом приближении

=610·107,7·23,66=1554391Вт ,

что несколько не соответствует потребному Q=1644704 Вт.

При таком осредненная температура трубок будет равна

==123^оС.

Необходимая площадь трубок для передачи необходимого =1644704 Вт

== 24,9 м².

Общая необходимая длина трубок

==550м.

Отношение необходимой общей длины трубок =550 м к предварительно рассчитанной длине L_?=523 м определится как

==1,05.

Зная величину ?, можно найти необходимое число рядов трубок по ходу газа m_необх вместо принятого ранее m= 6

=6·1,05=6,3.

Принято m_необх=7.

Тогда суммарная площадь трубок при принятом m_необх =7 станет равной

=23,66·=27,6м².

Площадь проходного сечения трубок для похода воды при переходе от 6 рядов к 7 рядам увеличится в 7/6=1,166 раз, а скорость воды уменьшится в 1,166 раз и станет равной 0,077 м/с. Соответственно уменьшится число Re_в в трубках до значения

==2380.

Число для воды уменьшится до значения

==

=20,5.

Коэффициент теплоотдачи от воды уменьшится до значения

=931.

и коэффициент теплопередачи k станет равным

==568.

Необходимо проверить, соответствует ли мощность теплообменника потребной мощности

=568·107,7·27,6=1688391 Вт соответствует.

5. Оценка гидросопротивлений

1. Коэффициент сопротивления пучка трубок из z =·n_В=7·2=14 рядов трубок, где =7 число рядов трубок по направлению движения газа для одного хода воды, а n_В =2 - число ходов воды.

=

=(1+14)· 8342,1^-0,27=5,2,

где =1,9 коэффициент, зависящий от = 1,7; = 1,05 коэффициент, зависящий от =1,9 (выбираются по рис. 8 [1]).

Рис. 8. Зависимость коэффициентов и от геометрии пучка трубок

Потери давления от обтекания пучка трубок

= 5,2·0,785·19,1²/2=737 Па.

2. От трения газа о ребра с зазором между ними ? = 0,001 м

==10,65.

3. Коэффициент сопротивления для внезапного сужения =0,45, а для внезапного расширения =0,45 (выбираются по коэффициенту загромождения фронта трубками и оребрением ==0,329)

Рис. 9. Зависимость коэффициентов внезапного сужения и внезапного расширения от отношения меньшей площади к большей

Сумма коэффициентов сопротивлений от всех факторов

=5,2+10,65+0,45+0,45=16,75

Общее падение давления в теплообменнике от входа к выходу

=16,75·0,785·19,1²/2=2398 Па.

6. Проверка эффективности теплообменника методом ?N_tu

По графикам для двухходового для воды и одноходового для газа перекрестного теплообменника [3] (с. 43) находим отношение теплоемкостей секундных расходов (водяных эквивалентов) C_R

C_R = ===0,337.

Число единиц переноса теплоты N_tu

=

Схема теплообменника перекрестного тока

Рис. 10. Зависимость от N_tu и C_R для теплообменников перекрестного тока

Из графика рис. 10 по С_R = =0,337 и параметру =2,66 определяется эффективность =0,85 (близко к рассчитанному ранее = 0,871).

Список литературы

1. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче. Л. - М.: Госэнергоиздат, 1959. 414 с.

2. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1973. 320 с.

3. Кейс В.М., Лондон А.Л. Компактные теплообменники (перевод с английского). М.: Энергия, 1967. 223 с.

4. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. Учебное пособие для вузов. М.: Энергоиздат, 1981. 416 с.

Размещено на Allbest.ru