Доц. кафедры ЕНД                              Онищенко С.А.

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

По предмету: "ТЕПЛОТЕХНИКА"

 

 

Выполнил

ст. гр.                                                              Гурэу П.А.

Проверил

Доц. кафедры ЕНД                              Онищенко С.А.

 

Донецк, 2019 г.

2. ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ КУРСОВОЙ РАБОТЫ

 

Часть 1. Определить допустимое количество воды с температурой t_г , сбрасываемой летом ГРЭС в пруд – охладитель, имеющий размеры 750 ´ 750 м.

Скорость ветра W, м/с, температура воды и воздуха t_В.

Расчеты выполняются для случаев, когда окружающий воздух имеет относительную влажность: а) ф=ф₁; б) ф=ф₂ .

Часть 2. В процессе эксплуатации парового котла его стальные кипятильные трубы диаметром Д₁/Д₂ снаружи покрылись слоем сажи толщиной d_С, а внутри – слоем накипи толщиной d_Н. Температура дымовых газов, омывающих кипятильные трубы поперечно, - t_Г, давление пара в котле р_Н. Определить тепловой поток на 1 пог. м на 1 м² наружной и внутренней поверхности трубы. Определить также паросъем котла с 1 м² внутренней поверхности трубы, если температура питательной воды t_ПВ.

Исходные данные для выполнения курсовой работы приведены в Приложении 1.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение………………………………………………………………………………...	3
1. РАСЧЕТ ДОПУСТИМОГО КОЛИЧЕСТВА ВОДЫ, СБРАСЫВАЕМОЙ В ПРУД-ОХЛАДИТЕЛЬ.	4
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ПОТОКА И ПАРОСЪЕМА НА 1 м2 ТРУБЫ.	6
2.1. Постановка задачи теплообмена………………………………………………..	6
2.2. Исходные данные………………………………………………………………...	10
2.3. Расчет параметров теплообмена………………………………………………...	11
2.4: Выполнение нулевого приближения……………………………………………..	12
2.5. Выполнение первого приближения……………………………………………….	16
2.6. Выполнение второго приближения……………………………………………..	19
Выводы…………………………………………………………………………………..	23
Перечень ссылок………………………………………………………………………..	24

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Целью данной работы является две задачи:

1. Расчет допустимого количества воды с температурой, сбрасываемой ГРЭС в пруд – охладитель.

2. Определение теплового потока на 1 м² трубы.

 

 

1. ЧАСТЬ 1

 

Определить допустимое количество воды с температурой t_г , сбрасываемой летом ГРЭС в пруд – охладитель, имеющий размеры 750 ´ 750 м.

Скорость ветра W = 13 м/с, температура воды и воздуха t_В = 22 °С.

Расчеты выполняются для случаев, когда окружающий воздух имеет относительную влажность: а) j₁ = 17 % б) j₂ = 66 %.Температура в конце пруда накопителя- 31°С.

Эта задача определяется процессом массообмена при вынужденной конвекции от плоской пластины. Прежде чем подобрать соответствующее безразмерное соотношения для числа Шервуда, следует определить, будет ли течение ламинарным или турбулентным. Число Рейнольдса в конце пруда-охладителя равно[1]:

n_{t = 0} = 13,3×10^-6 м²/с  

n_{t = 100} = 23×10^-6   м²/с   

   м²/с  

              

Следовательно, течение воздуха полностью турбулентное.

Число Прандтля равно[3]:

Рr_{t = 0} = 0,707   Рr_{t = 100} = 0,688  

Число Шервуда равно[3]

Коэффициент конвективного массообмена равен [3]:

a_{t = 0} = 6,76 м²/с            a_{t = 100} = 12,1 м²/с

 м²/ч = 2,34×10^-5 м²/с.

 Коэффициент массоотдачи,отнесенный к разности объемных концентраций водяного пара в воздухе и характеризующий линейную скорость испарения воды

β=  м/с.

Определим концентрации паров воды у поверхности пруда-накопителя  и в окружающем воздухе. У поверхности воды воздух насыщенный и его относительная влажность равна 100%. Из таблиц для водяного пара [1] давление насыщения при 31°С (температура в конце пруда накопителя) равно Р_НАС = 2807,9 Па. Концентрация водяного пара равна:

 кг/м³, где Т-абсолютная температура воздуха при t_в =22°С.

а) При относительной влажности окружающего воздуха 17% концентрация водяного пара в воздухе равна

 кг/м³

m – молярная масса воды H₂O, m=16+2=18 кг/моль.

Массовая скорость испарения воды равна

 кг/с

б) При относительной влажности окружающего воздуха 66% концентрация водяного пара в воздухе равна

 кг/м³

Скорость испарения воды равна

 кг/с

что на 61,5% меньше скорости испарения воды при относительной влажности окружающего воздуха 17%:

                      Δ=(m₁₇-m ₆₄)/ m₁₇·100%=61,5%

 

 

2. ЧАСТЬ 2.

 

2.1. Постановка задачи теплообмена

Дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье для бесконечного цилиндра при отсутствии внутренних источников тепла (q = 0) имеет вид:

                                                                                            (1)

При стационарном тепловом режиме температуры отдельных точек тела постоянны. Поэтому  и дифференциальное уравнение имеет вид

                                                                                         (2)

Граничные условия имеют вид:

1. Граница дымовые газы – сажа:

r = r_c,                                                                               (3)

где: l_С – коэффициент теплопроводности сажи; q_конв – плотность теплового потока (конвективная составляющая); q_изл – составляющая потока излучения

2. Граница насыщенный пар – накипь:

r = r_н                                                                                         (4)

 

Рисунок 1 Теплопроводность через цилиндрическую поверхность.

 

3. Граница накипь – металл:

r = r_г                                                    (5)

4. Граница металл – сажа:

r = r₁                                                                                  (6)

Данная задача поставлена не линейно т.к. l = l (t).

После интегрирования уравнения (2) получаем выражение для определения плотности теплового потока цилиндрической стенки:

                                                                                                        (7)

Полное количество тепла, проходящее через цилиндрическую стенку, удобно отнести к 1 погонному метру стенки, для чего уравнение (7) необходимо умножить на 2p

                                                                                     (8)

Для многослойной стенки процесс теплопередачи можно рассчитать следующим способом:

1. Граница дымовые газы – сажа:

Теплопередача от греющей среды к саже определяется по закону Ньютона

                                                                                                  (9)

где

a_г – коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к саже;

t_г – температура дымовых газов;

t_С3 – температура стенки сажи.

Полное количество тепла, проходящее через Д = Д₃ длиной 1 м определяется следующим образом:

                                                                               (10)

В данном случае a_г состоит из конвективной и лучистой составляющей т.е.

a_г = a_конв1 +a_изл

2. Теплопроводность через сажу:

Количество тепла, проходящее через слой сажи, определяется на основании уравнения (8)

                                                                                              (11)

3. Теплопроводность через металл:

Количество тепла, проходящее через материал трубы, определяется из уравнения (8).

                                                                                             (12)

4. Теплопроводность через накипь:

Количество тепла, проходящее через накипь определяется следующим образом:

                                                                                             (13)

5. Теплоотдача от накипи к насыщенному пару определяется законом Ньютона:

                                                                                     (14)

на основании закона сохранения энергии

                                                                         (15)

тогда

                                                                                                    (16)

Решая совместно систему уравнений (16) получим:

                 (17)

Выражение (17) можно записать в следующем виде:

Q = K(t_г - t_п)                                                                                                           (18)

где к – коэффициент теплопередачи

                (19)

Выражение (18) можно записать в другом виде:

                                                                                (20)

где R_п – термическое сопротивление теплопроводности от накипи к пару,

R_Н – термическое сопротивление теплопроводности накипи,

R_М – термическое сопротивление теплопроводности материала трубы,

R_С – термическое сопротивление теплопроводности сажи,

R_Г – термическое сопротивление теплопроводности от дымовых газов к саже,

Коэффициент теплоотдачи a_г состоит из конвективной и лучистой составляющей, т.е.:

                                     (21)

Коэффициент теплоотдачи a_к1  можно определить из критериального уравнения

                                                                                   (22)

где Nu – критерий Нуссельта; Re – критерий Рейнольдса; Pr^tг – критерий Прандтля при t = t_г, Pr^tст - критерий Прандтля при t = t_cт.

Коэффициенты с, m, n выбираются в зависимости от формы обтекаемого тела и от диапазонов чисел Рейнольдса. Коэффициент с зависит так же от температурного фактора и учитывается сомножителем  в уравнении (22).

Число Рейнольдса (характер набегающего потока при внешнем обтекании цилиндра – ламинарный, переходной или турбулентный) можно определить по формуле

                                                                                                          (23)

где D_С – определяющий размер, в данном случае D_С = D_3., u_г – кинематический коэффициент вязкости.

Критерий Прандтля (характеризует соотношение между скоростями формирования полей скоростей и температур движущегося потока) можно определить по формуле:

                                                                                                                   (24)

где а_г – коэффициент температуропроводности дымовых газов.

Число Нуссельта определяется следующим образом:

                                                                                                              (25)

отсюда

                                                                                                       (26)

Лучистую составляющую a_изл можно определить из закона Стефана – Больцмана:

                                         (27)

Отсюда лучистая составляющая – приведенный коэффициент теплоотдачи излучением можно определить:

                                                                                         (28)

где e_ст – степень черноты стенки, e_г – степень черноты газа при температуре газа,

s₀ = 5,67×10^-8 Вт/м²К⁴.

Подставив выражение для ε _П окончательно получим:

                                                  (29)

e_ст =0,8 – степень черноты стенки.

Излучательная способность газов, молекулы которых состоят из одного или двух атомов, столь незначительна, что в теплотехнических расчетах они принимаются лучепрозрачными. Если углекислота и водяной пар содержаться в объеме одновременно, то степень черноты определяется из выражения:

                                                                                                  (30)

                                                                                                   (31)

 зависят от средней длины луча Р_iS_i/, x - поправочный коэффициент, учитывающий неодинаковую степень влияния толщины газового слоя S_i и парциального давления Р_i на энергию излучения водяных паров.

Среднюю длину луча для объемов различной формы можно определить по [2].

Для цилиндра Д×L: l_ср = 0,77Д.

Парциальное давление компонентов (излучающих трехатомных газов) можно определить из исходных данных.

Для расчета коэффициента теплоотдачи при пузырьковом кипении воды в окисленных стальных трубах можно воспользоваться формулой [2]

a_конв2 = 3q_n^0,7 ×Р_н^0,15                                                                                                               (32)

где q_n – плотность теплового потока, Вт/м², Р_н – давление насыщенного пара, бар.

2.2. См. исходные данные.

2.3. Расчет параметров теплообмена.

 

Рисунок 2 – Распределение температур.

 

Расчет диаметров:

Д₁ = 0,18 м;

Д₂ = 0,162 м;

Д₃ = Д₁ + 2d_С = 0,18 + 2×0,8 = 1,78 м;

Д₄ = Д₂ + 2d_Н = 0,162 + 2×1,6 = 3,362м.

 

Определение теплопроводности:

l_Н = 0,1 Вт/м×с, [2]; l_С = 0,07 Вт/м×с, [2].

Определение температуры насыщения при Р_Н = 1,8 Мпа: t_Н = 207,1 °С, [1].

Для температуры t_Г:

- теплопроводность (путем интерполяции, [2]):

 Вт/м×с  Вт/м×с  Вт/м×с

- плотность:

 кг/м³  кг/м³  кг/м³

- теплоемкость:

 Дж/кг×с;  Дж/кг×с;  Дж/кг×с.

- кинематическая вязкость:

 м²/с;  м²/с;  м²/с.

Теплопроводность смеси газов:

λ _г =1/2{(С _N2 ·λ _N2+ С_H2O ·λ_H2O+ С _CO2 λ _CO2 + 1|/( С _N2/λ _N2+ С_H2O /λ_H2O+ С _CO2 /λ _CO2 )}

 

l_Г = 0,194314 Вт/м×с.

Плотность смеси газов:

r_Г = 0,3452×0,65 + 0,2216×0,16 + 0,5444×0,16 = 0,347 кг/м³.

Теплоемкость смеси газов:

С_Рг = (1,167×0,65 + 2,33×0,16 + 1,244×0,16)×10³ = 1,33039×10³ =1330,39

Кинематическая вязкость смеси газов:

n_г = (129×0,65 + 0,2216×0,16 + 0,5444×0,16)×10^-6 = 8,4×10^-5

Коэффициент температуропроводности:

 м²/с.

2.4: Выполнение нулевого приближения

Принимаем температуры

°С °С °С °С

Расчет характеристик газов для t_СТ = 400°С [2]

Теплопроводность газов(путем интерполяции):

 Вт/м×с  Вт/м×с  Вт/м×с

Плотность газов:

 кг/м³  кг/м³  кг/м³

Теплоемкость газов:

 Дж/кг×с  Дж/кг×с  Дж/кг×с

Кинематическая вязкость газов:

 м²/с  м²/с  м²/с

Теплопроводность смеси газов:

l_ст⁽⁰⁾ = 0,0509 Вт/м×с

Плотность смеси газов:

r_ст⁽⁰⁾ = 0,508×0,65 + 0,326×0,16 + 0,802×0,16 = 0,510 кг/м³.

Теплоемкость смеси газов:

С_Рст⁽⁰⁾ = (1,082×0,65 + 2,073×0,16 + 1,1103×0,16)×10³ = 1212,628

Кинематическая вязкость смеси газов:

n_ст⁽⁰⁾ = (60,9×0,65 + 60,5×0,16 + 36,7×0,16)×10^-6 = 5,5137×10^-5

коэффициент температуропроводности:

м²/с

 Вт/м²К

Определение парциального давления трехатомных газов принимается из исходных данных для С_i:

 Па.

 Па.

где Р_см=10⁵ Па (атмостферное давление 1 бар=10⁵ Па).

Для расчета теплообмена нужно знать размеры излучающего объекта (излучающей кипятильной трубы цилиндрической формы). Они выбираются из конструктивных соображений с учетом опыта работы паровых котлов. Высота рабочего пространства зоны излучения Н из опыта эксплуатации котлов принимается равной Н=1,8÷2 м.

Средняя эффективная длина луча излучения l, м:

где V– объем рабочего пространства объекта излучения (объем излучения вокруг кипятильной трубы V=pr²Н, r=H - радиус излучения от трубы), м³; F – сумма площадей поверхностей, ограничивающих рабочее пространство излучения, м², F=2pr(Н + r) + 2pr².

 м

Средняя длина луча (произведение парциальных давлений излучающих газов на среднюю эффективную длину луча):

l_со2=l ·P_со2= 1,08 · 0,16·10⁵= 17280 м·Н/м²

l_н20=l ·P_н2о= 1,08 · 0,16·10⁵= 17280 м·Н/м²

Определение степени черноты излучающих трехатомных компонентов при температурах t_г и t_ст. рисунок 3 [3]

t_г= 780^oC                ε_co2⁷⁸⁰=0,14    ε_H2O⁷⁸⁰=0,43        

t_г= 400^oC                ε_co2⁴⁰⁰=0,14    ε_H2O⁴⁰⁰=0,43        

поправочный коэффициент x = 1,1 определяется по рис. 4 [3].

Рисунок 3. Графики изменения степени черноты углекислого газа и водяного пара

Рисунок 4. Поправочный коэффициент к степени черноты Н₂О

 

Степень черноты смеси газов при температурах t_г и t_ст.

Определение коэффициента теплоотдачи излучением

 Вт/м²К

 Вт/м²К

Принимая за нулевое приближение плотность теплового потока q = 10000 Вт/м

определяем коэффициент теплоотдачи от накипи к пару.

 Вт/м²К  

Р_н – давление насыщенного пара, бар, из таблиц водяного пара, при температуре насыщения водяного пара t_н=207°С (t_н определяется в расчете по значению давления насыщения Р_н=1,8МПа задаваемого по варианту) равно Р_н=1,8МПа=18бар.

Определение теплопроводности металла [2].

°С.

l_М = 41,4 Вт/м×с.

Определение термических сопротивлений:

 м°С/Вт

 м°С/Вт

 м°С/Вт

 м°С/Вт

 м°С/Вт

 м°С/Вт

Количество тепла проходящего через один метр цилиндрической поверхности.

     Вт.

t_н определяется в расчете из таблиц воды и водяного пара в состоянии насыщения по значению давления насыщения Р_н=1,8МПа, задаваемого по варианту.

Р,бар