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.


Теги: Расчет подогревателя воды выхлопными газами ГТД  Контрольная работа  Физика
Просмотров: 14227
Найти в Wikkipedia статьи с фразой: Расчет подогревателя воды выхлопными газами ГТД
Назад