Исследование термодинамических процессов и расчет теплообменного аппарата

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 1.1 – Результаты термодинамического расчета

 

Показатель политропы																		Относительная ошибка расчета, %
0	500000	500000		0,25	0,35		300,15		420,21	206,53	255,76	0,717	49,22		0	255,76	0,8075	0,004
0,6	500000	409000		0,25	0,35		300,15		343,39	68,58	86,307	0,351	44,32		26,592	112,9	0,607	0
1	500000	357100		0,25	0,35		300,15		300,15	0	0	0,138	41,41		41,41	41,41	0	0
1,25	500000	328300		0,25	0,35		300,15		275,93	-36,23	-46,16	0,0121	39,721		49,651	3,488	-10,387	0,06
K	500000	323900		0,25	0,35		300,15		273,62	-39,66	-50,54	0	39,55		50,43	0	-	0
1,9	500000	264000		0,25	0,35		300,15		221,73	-114,26	-146,41	-0,303	35,725		67,8775	-78,53	1,455	0,006

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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.

В графическом виде процессы представлены на рисунках 1.1 и 1.2.

Результаты расчетов сведены в таблицу 1.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

2 РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

2.1 Исходные данные

В одноходовом кожухотрубном  теплообменном аппарате горячий  теплоноситель движется в межтрубном пространстве и охлаждается от температуры 150, ˚С до 55, ˚С.

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

Число трубок в теплообменнике n = 62. Трубки теплообменника с внутренней стороны покрыты отложениями (накипью) толщиной   δ_нак=0,6·10^-3, м. Тепловая мощность, вносимая в ТОА, Q_вн =450, кВт. Потери теплоты в окружающую среду составляют (1 – 0,97)·100, %.

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

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

Известно также:

холодный теплоноситель  –  вода;

горячий теплоноситель    –  вода;

λ_с = 110·10^-3 кВт/(м·К);

λ_нак = 0,9·10^-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

 

=16

режим течения горячего теплоносителя – ламинарный

режим течения холодного  теплоносителя – переходный

    2.2.4 Температура стенки

    2.2.5 Числа Прандтля

При  

.

При  

.

При  

.

При

.

    2.2.6 Коэффициент

    2.2.7 Число Грасгофа

    2.2.8 Числа Нуссельта

При ламинарном вязкостно-гравитационном режиме течении

(Re_ж,d < 2300, Gr_ж,d·Pr _ж > 8·10⁵)

При переходном режиме течения (Re_ж,d = 2300…10⁴)

     2.2.9 Коэффициенты теплоотдачи

 

2.3 Конструктивный тепловой  расчет теплообменного аппарата

    2.3.1 Изменение температуры теплоносителей по длине аппарата

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 – Изменение температуры теплоносителей по длине прямоточного теплообменника

 

 Вывод:

 Прямоточный теплообмен  конструктивно невозможен.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.2 – Изменение температуры теплоносителей по длине противоточного теплообменника

    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

(10 секции)

2.3.6.2 Число секций противоточного теплообменника без учета слоя накипи

                 

(10 секции)

Таблица 2.1 – Сводная таблица расчетов теплообменного аппарата

Наименование	Схема движения теплоносителей
	прямоток	противоток
Средний температурный  напор ∆t , oC	_	61
Коэффициент теплопередачи  при наличии накипи при отсутствии накипи	44,5 45,86
Поверхность нагрева F, м2 при наличии накипи при отсутствии накипи	_ _	159,082 154,36

 

 

 

 

2.4 Рекуперативный теплообменник с трубчатой поверхностью теплообмена (противоток)

 

Рисунок 2.3 – Эскиз  секции с основными размерами

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.4 – Схема  соединения секций в теплообменный  аппарат

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.