Расчет рекуперативного теплообменника газотурбинного двигателя

метки: Теплообменник, Рекуперативный, Теплоноситель, Расчет, Потеря, Затрата, Следовать, Противоточный

Различают конструктивный и поверочный тепловой расчет теплообменного аппарата.

Цель конструктивного расчета состоитв определениивеличины рабочей поверхности теплообменника, которая является исходным параметром при его проектировании. При этомдолжно быть известно количество передаваемой теплоты или массовые расходы теплоносителей и изменение ихтемпературы.

Поверочный расчет выполняется для теплообменника с известной величиной поверхности.

Цель теплового расчета состоитв определении температур теплоносителя на выходе из теплообменника и количества передаваемой теплоты.Подробно с основными схемами теплообменных аппаратов,конструкцией и методикой их расчета можно ознакомиться в учебной испециальной литературе[1-4].

В задании на курсовую работу необходимо, руководствуясь данной методикой, произвести конструктивный, тепловой и гидравлический расчеты противоточного теплообменника газотурбинной наземной установки замкнутого цикла. В ходе расчета следует выбрать исходные конструктивные соотношения для компоновки теплообменника . определить рабочую поверхность теплообменника. подобрать тепловую изоляцию и основные размеры, сделать эскизную схему аппарата. Необходимо определить затраты мощности на прокачку холодного и горячего теплоносителей.

Учебные пособия, справочники и литература, использованные в курсовой работе, указаны в библиографическом списке.

Конструктивная схема теплообменника представленарис.1

Рис.1. Конструктивная схема теплообменника.

ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПРОТИВОТОЧНОГО РЕКУПЕРАТИВНОГО ТЕПЛООБМЕННИКА

1.Определение массовых секундных расходов теплоносителей.

На основе уравнения теплового баланса (при отсутствии потерь тепла и фазовых переходов теплоносителей)

где изменение энтальпии теплоносителей находится по формуле

Где G _в , G_г -массовый секундный расход теплоносителей, в котором для газа

D t _г =t’ _г — t’’ _г =250-35=215 ⁰ С , для воды D t_в =t’’_в — t’ _в =65-15=50 ⁰ С.

2.Определение температурных условий работы теплообменника.

Находим среднюю по длине теплообменника температуру жидкости (воды) при условии, что нагрев ее в теплообменнике сравнительно мал:

Средняя по длине теплообменника температура газа

где среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями

( рис.3)

Если то

По полученным значениям t _ср.в и t _{ср. г} из табл.1 и 2 (все таблицы см. в прил.2) определяются необходимые теплофизические характеристики теплоносителей:

Pr, m , C_p , n , l , r :

r _г =P_г /RT_г =8500000/287*387=76.53 кг/м³

3. Определение коэффициентов теплоотдачи

Коэффициент теплоотдачи от охлаждаемого газа к стенке трубки определяют с учетом числа трубок, по которым он протекает, ориентировочно это число может быть найдено по формуле:

определение коэффициентов теплоотдачи 1">

(1)

Принимаем количество трубок n=61.

w _г =20…60

Полученная скорость отличается на 5% от рекомендованной (или желаемой), что удовлетворяет погрешности 10% . Определяем предварительно критерий Рейнольдса:

или

вычисляем значение коэффициента теплоотдачи из уравнения:

учитывая также критериальное уравнение (применимо к газу и воде):

Имеем

Где y _г = 1 . 05 — коэффициент, учитывающий влияние температурного фактора для охлаждаемого газа.

Находим коэффициент теплоотдачи от трубок охлаждающей воде, для чего предварительно определяем проходное (живое) сечение межтрубного пространства.

Геометрические размеры поперечного сечения теплообменника должны удовлетворять условию,

d _н

b=(1.25..1.3)

Вновь полученная скорость должна быть не менее 0,5 м/ В нашем случае скорость воды удовлетворяет этому условию. В дальнейшие расчеты вводить только скорректированные размеры. Для удобства следует изобразить схему и все размеры межтрубной доски и кожуха. Число Рейнольдса для воды:

где

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубки к воде (жидкости) вычисляется по формуле:

y _в = 1.02

4. Определение коэффициента теплопередачи

Коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

При вычислении К необходимо соблюдать следующие правила:

если a _г >a_в то d_ср =d_нар

если a _г =a_в то d_ср =(d_вн +d_нар )/2

если a _г <a_в то d_ср =d_{в н}

d _нар /

Погрешность расчета не превышает 3% . Коэффициент R_заг учитывающий загрязнение стенок в ходе эксплуатации теплообменника, снижает обычно коэффициент теплопередачи на 20…30% .Принимаем d_ср =d_{в н} =0.01.R_заг =0.

Выбираем материал трубок бронза , тогда из [2] l _ст =226.785

5. Определение площади поверхности охлаждения

Определение площади поверхности охлаждения производим по основному выражению для теплопередачи:

Q=K×F×Dt _ср

Откуда F=Q/K×Dt _ср =2515000/2470.493*74.17=13.725

Зная площадь, нетрудно определить длину труб.

Остальные размеры теплообменника определяются с учетом правильного устройства подводящих каналов для прохода воды. Скорости теплоносителя в подводящем коллекторе и штуцере должны быть примерно равны. В этом случае их подводящие сечения связаны между собой равенством

т.е.

F _шт =F_кан =F_отв

площадь сечения

Округлив значение d _шт (в сторону увеличения) принимаем d _шт =0.09 , определяем размеры подводящих каналов:

• ширина кольцевого коллектора b _кол = d _шт /4=0.09/4=0.023

h ₁ =1.57

h ₂ =d_шт /4D

• диаметр наружного кожуха кольцевого канала (коллектора ) D _кол = D _кож + 2b _кол =

=0.158+2 × 0.023=0.203

РАСЧЕТ ТЕПЛОВОЙ ИЗОЛЯЦИИ КОЖУХА ТЕПЛООБМЕННИКА.

Расчет заключается в следующем. Оценивается величина тепловых потерь теплообменника в окружающую среду Q _пот . В случае превышения этих потерь по сравнению с допустимымиQ _{пот.доп.} приступают к выбору способа тепловой защиты. В нашем случае рекомендуется покрытие кожуха теплообменника слоем теплоизоляционного материала. Выбор марки материала и его толщины d _из осуществляется из условия оптимального сочетания значений коэффициента теплопроводности теплоизоляции и ее толщины — факторов, определяющих массу, стоимость и габариты готовой конструкции теплообменника.

Величину тепловых потерь от неизолированного кожуха теплообменника в окружающую среду с температурой t _окр , толщиной стенки стального кожуха d _ст при известной средней температуре воды t _срв и коэффициенте теплоотдачи a _в , вычисленном по формуле (2), можно найти, если известен коэффициент теплоотдачи a _{о кр} от кожуха окружающему воздуху.

В зависимости от заданных условий эксплуатации для случая естественной конвекции определим a _{о кр} :

• горизонтальное расположение теплообменника

Критерий Нуссельта определяем из соотношений, рекомендованных [5].

Следует учесть, что

для горизонтального расположения теплообменника

10 ³

10 ³

Критерий Грасгофа

• для горизонтального расположения теплообменника,

g=9.81 м/с ² ,

Параметры окружающего воздуха n _ж = n _в = m _в / r _в =0.00002188/79.4=0.00001416 , Pr _ж = Pr _в и Pr _ст =0.705 приведены из табл.1 [4] для заданной t _окр = 10 ° С.

Вычислим величину тепловых потерь, так как D _нар / D _вн <1.5

В случае Q _пот >Q _{пот.доп} на 5% приступаем к выбору оптимальной тепловой изоляции кожуха теплообменника. В нашем случае Q _пот <Q _{пот.доп} поэтому выбор оптимальной тепловой изоляции не проводим.

Гидравлический расчет теплообменника необходим, потому что между теплопередачей и потерей давления существует тесная физическая и экономическая связь. Чем больше скорость теплоносителей, тем выше коэффициент теплопередачи и тем компактнее для заданной тепловой производительности теплообменник, а следовательно, меньше капитальные затраты. Но при этом растет сопротивление потоку и возрастают эксплуатационные затраты.

Основной задачей гидромеханического расчета является определение потери давления теплоносителя при прохождении его через аппарат.

Полный перепад давления, необходимый при движении жидкости или газа через теплообменник, определится по формуле:

где слагаемые — суммарные потери сопротивления трения на всех участках, местные потери давления, потери обусловленные ускорением потока в канале и затраты на преодоление самотяги. В нашем случае учтем первые три вида потерь, определяемые по формулам (для воды):

Т. к Re _в >2500, то движение среды турбулентное и тогда

n _кан — число подводящих воду каналов (штуцеров).

Местное сопротивление при продольном омывании пучков вдоль оси рассчитывается по формуле [3]:

b ₁ /d

x _мест =(4+6.6×m)×Re^-0.28 =0.01

Здесь m — число рядов в пучке в направлении движения потока для каналов обычно x _мест = 0.01…0.05

Гидравлическое сопротивление подводящих воду каналов должно быть меньше гидравлического сопротивления межтрубного пространства:

или D p _кан < D p _в , D p _кан » 0.75 D p _в =6 299 250 Па, т.к Dp_в = 8 399 000 Па.

Мощность, затрачиваемая на перемещение теплоносителей через межтрубное пространство, определяется по соотношению:

При выборе оптимальных форм и размеров поверхности нагрева теплообменника принимают наивыгоднейшее соотношение между поверхностью теплообмена и расходом энергии на движение теплоносителей. Это соотношение устанавливается на основе специальных технико-экономических расчетов, которые в нашей курсовой работе не выполняются.

Заключение.

В данном курсовом проекте был произведен тепловой расчет противоточного рекуперативного теплообменника для газотурбинной наземной установки замкнутого цикла. Были определены основные габаритные размеры и гидравлические параметры теплообменника.

«Теплоэнергетика ядерных установок»

«Справочник по гидравлическим сопротивлениям»

«Справочник по теплопередаче»

«Основы теплопередачи в авиационной и ракетно-космической технике.»