Расчет подогревателя воды выхлопными газами ГТД

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 (351оC) - температура газа на входе в теплообменник;

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

= 116,3 - скорость газа на срезе сопла ;

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

= 101325 Па - давление за теплообменником;

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

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

= 10оС - температура воды на входе в теплообменник;

= 110оС - 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/(м×К) - 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 tв=60 оС)

= 4,667·10-7 м2/с,

где = =0,06.

Таблица 1 Зависимость теплофизических свойств воды от температуры

Pr0-0,085213,00,569100,08239,280,587200,20676,940,604300,30565,390,618400,3894,30,632500,46233,540,643600,52882,960,654700,592,530,662800,64732,20,670900,70181,940,6761000,7521,750,6831100,8081,60,6851200,8641,470,6861300,9191,370,6861400,9721,260,685

Число Нуссельта в трубах

==23,1

где выбираем из таблицы в зависимости от температуры воды tв (при tв =60 оС значение =2,96); выбирается из таблицы в зависимости от температуры стенки трубки tw (в первом приближении ==131,25оС, 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= 131,25-5=126,25оС (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 =126,25оС.

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 ? =pсреднее/RTсреднее= =0,5(+)/(287·(202,5+273))= 0,785 кг/м3.

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

=

==

=114,3 ,

где для газа

= =0,04 .

Prг = 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 ReD > 1000 число Нуссельта определяется по формуле ( [2] c. 101)

=0,35·8342,20,6=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

==123оС.

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 mнеобх вместо принятого ранее m= 6

=6·1,05=6,3.

Принято mнеобх=7.

Тогда суммарная площадь трубок при принятом mнеобх =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 Reв 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.

. Оценка гидросопротивлений

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

. 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.

. Проверка эффективности теплообменника методом ?-Ntu

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

CR = ===0,337.

Число единиц переноса теплоты Ntu

=

Схема теплообменника перекрестного тока

Рис. 10. Зависимость e от Ntu и CR для теплообменников перекрестного тока

Из графика рис. 10 по СR = =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.

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

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

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