Теплопередача через многослойную цилиндрическую стенку

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра тепловых электрических станций

Расчетно-графическая работа

Теплопередача через многослойную цилиндрическую стенку

Вариант №5 (группа 1)

Студент: Филипенко Евгений Николаевич

Преподаватель: Шаров Юрий Иванович

Новосибирск 2013 г



Задание

Шахматный трубный пучок водяного экономайзера поперечно омывается топочными газами (W1-скорость газов в узком сечении), внутри труб со скоростью W2 движется вода.

Теплота Qгазов передается воде через трехслойную цилиндрическую стенку трубного пучка. Принимая температуры газов и воды соответственно tf1иtf2; наружный и внутренний диаметры стальной трубы d1 и d2; толщины слоев сажи и накипи дс и дн; коэффициенты теплопроводности сажи лс=0,1 Вт/м*К, стали лст=50 Вт/м*К и накипи лн=0,8 Вт/м*К, необходимо:

1.Методом последовательных приближений определить линейный тепловой поток через трехслойную цилиндрическую стенку ql, приняв в первом приближении температуру стенки со стороны газов

Расчет считается достаточно точным, если значения линейных коэффициентов теплопередачи Кlв двух последних приближениях будет отличаться не более чем на 1%.

2.Определить температуру стенки со стороны воды tW2и температуры между слоями t1и t2.

3.Построить график изменения температур при теплопередаче

4.Исходные данные взяты из таблицы 1.

Дано (Группа 1Вариант 5):

Температура газов t1=1000 0C;

Температура воды t2=3100C;

Диаметры стальной трубы d1=25 мм;d2=20 мм;

Толщина слоя сажи дс=2,5 мм;

Толщина слоя накипи дн=1,0 мм;

Скорость газов W1=14 м/с;

Скорость воды W2=0,20 м/с;



Решение:

I приближение

1.Число Рейнольдса для поперечного обтекания газами шахматного трубного пучка:

н1=174.3?10-6 м2/с - коэффициент кинематической вязкости газов при температуре t1=1000 0C (взят из таблицы П1);

наружный диаметр трубы;

Температура наружной стенки принимается в первом приближении:

2.Число Нуссельта для газов по уравнению подобия

-число подобия Нуссельта для газов;

- средний коэффициент теплоотдачи для трубного пучка, Вт/м2*К;

- наружный диаметр труб, м;

-коэффициент теплопроводности газов, Вт/м*К;

- число Рейнольдса для газов;

-скорость газов в узком сечении пучка, м/с;

-коэффициент кинематической вязкости газов, м2/с;

- числа Прандтля газов соответственно при температуре газов и температуре наружной стенки ;

Pr1=0.58 и Prc1=0.62 - число Прандтля для газов при температуре t1=10000Ctс1=655°C (взят из таблицы П1)

3.Коэффициент конвективной теплоотдачи от газов к наружной стенке трубы:

коэффициент теплопроводности газов при температуре t1=10000C (взят из таблицы П1);

Где л1=0.109 Вт/(м?К)- теплопроводность газов при t1=1000 °C

4.Лучистый тепловой поток для незапыленного потока газов:

-коэффициент излучения абсолютно черного тела;

-эффективная степень черноты стенок ();

-степень черноты газов, в районе водяного экономайзера можно принять;

-поправка, учитывающая отклонение лучеиспускания от закона Стефана-Больцмана, для незапыленных газов ;

-температура газов, К, TC1-температура наружной стенки трубы, К;



5.Лучистый коэффициент теплоотдачи:

6.Приведенный коэффициент теплоотдачи от газов к стенке:

7.Число Рейнольдса для воды в трубах:

-средняя скорость движения воды в трубах водяного экономайзера, м/с;

- внутренний диаметр труб, м;

-коэффициент кинематической вязкости воды при температуре , м2/с.

-коэффициент кинематической вязкости воды при температуре t2=3100C (взят из таблицы П2);

8.Число Нуссельта для воды при турбулентном режиме определяется по уравнению подобия:

-число подобия Нуссельта для воды;

- средний коэффициент конвективной теплоотдачи к воде, Вт/м2*К;

-коэффициент теплопроводности воды, Вт/м*К;

- число Рейнольдса для газов;

- числа Прандтля воды соответственно при температуре воды и температуре внутренней стенки ;

-поправка на длину трубы, ;

число Прандтля воды при температуре t2=3100C (взят из таблицы П2);

-число Прандтля воды при температуре стенки tc2, которая в первом приближении принимается tc2=t2=3100C (взят из таблицы П2).

9.Коэффициент конвективной теплоотдачи к воде:

-коэффициент теплопроводности водыпри температуре t2=3100C (взят из таблицы П2);

10.Линейный коэффициент теплоотдачи от газов к воде через 3-слойную цилиндрическую стенку

11.Тепловой поток через 1 погонный метр трубы:

12.Температура наружной поверхности трубы

13.Температура внутренней поверхности трубы



II приближение

1.Число Рейнольдса для газов остается без изменений:

2.Число Прандтля газов при температуре стенки

:

(взят из таблицы П1); тогда уточненное число Нуссельта для газов:

3.Коэффициент конвективной теплоотдачи от газов:

4.Лучистый тепловой поток:

5.Лучистый коэффициент теплоотдачи:



6.Приведенный коэффициент теплоотдачи от газов:

7.Число Рейнольдса для воды остается без изменения:

-режим воды турбулентный.

8.Число Нуссельта для воды:

-число Прандтля воды при температуре стенки t2=3130C(взят из таблицы П2).

9.Коэффициент конвективной теплоотдачи к воде:

10.Коэффициент теплопередачи: Вт/м2*К

отличается от найденного в первом приближении на:

т.е требует третье приближение

11. Тепловой поток:

12.Температура наружной поверхности трубы:

13.Температура внутренней поверхности трубы:

III приближение

1.Число Рейнольдса для газов остается без изменений:

2.Число Прандтля газов при температуре стенки:

(взят из таблицы П1); тогда уточненное число Нуссельта для газов:

3.Коэффициент конвективной теплоотдачи от газов:

4.Лучистый тепловой поток:

5.Лучистый коэффициент теплоотдачи:

6.Приведенный коэффициент теплоотдачи от газов:

7.Число Рейнольдса для воды остается без изменения:

-режим воды турбулентный.

8.Число Нуссельта для воды:

-число Прандтля воды при температуре стенки t2 =3130C (взят из таблицы П2).

9.Коэффициент конвективной теплоотдачи к воде:

10.Коэффициент теплопередачи:

отличается от найденного во втором приближении на:

т.е. требуется четвертое приближение

11. Тепловой поток:

12.Температура наружной поверхности сажи:

13.Температура на наружном слое стальной трубы:

14. Температура на внутренней поверхности стальной трубы:

15. Температура на внутреннем слое накипи:

16. Расчетная температура воды в трубах:

17. Погрешность по расчетной температуре воды,

Таблица 5.1

Физические свойства жидкостей и паров на линии насыщения при р = 1 бар [3]

№	tн/рн	r									Pr
	°C/ бар	кДж/ кг	Вт/(мК)	м2/с	кг/м3	Дж/ (кгК)	Н/м
4	82	670	0,131	0,024	0,67	4,6	750	2,04	3200	0,018	12,5
26	100	2257	0,683	0,024	0,295	20	958	0,6	4200	0,058	1,75



Таблица 5.2

Физические свойства жидкостей и паров на линии насыщения при р = 10 бар [3]

№	tн/рн	r									Pr
	°C/ бар	кДж/ кг	Вт/(мК)	м2/с	кг/м3	Дж/ (кгК)	Н/м
4	156	500	0,120	0,03	0,23	0,66	700	17	3400	0,015	2,37
26	180	2082	0,68	0,034	0,20	2,9	887	5,2	4340	0,042	0,97

Таблица 5.3

Физические свойства жидкостей и паров на линии насыщения [3]

№	tн/рн	r									Pr
	°C/ бар	кДж/ кг	Вт/(мК)	м2/с	кг/м3	Дж/ (кгК)	Н/м
4	220/40	200	0,114	0,05	0,13	0,12	650	106	3800	0,012	2,45
26	262	1646	0,60	0,053	0,13	0,75	781	24	4860	0,023	0,85

Пример расчета

Дано: пропанол-2кипит в большом объеме, на горизонтальном цилиндре наружным диаметром d = 15 мм, при давлении насыщения рн=1 бар, которому соответствуют физические характеристики воды и водяного пара: температура насыщенияtн=82°С; скрытая теплота парообразованияr = 0,067106 Дж/кг; теплопроводность воды = 0,131Вт/(мК); теплопроводность водяного пара = 0,024 Вт/(мК); кинематическая вязкость воды= 0,6710-6 м2/с; кинематическая вязкость пара = 4,610-6 м2/с; плотность воды = 750 кг/м3; плотность пара = 2,04кг/м3; массовая изобарная теплоемкость воды ср = 3200 Дж/(кгК); поверхностное натяжение воды =0,018Н/м; число Прандтля водыРrж = 12,5.

1. Первый критический тепловой поток по формуле (4.2):

= 0,1450,067106 (2,04)0,5[0,058(750 - 2,04)9,81]0,25 = 0,63105 Вт/м2.

2. Для построения кривой кипения воды при пузырьковом режиме задаемся другими значениями плотности теплового потокаq1 = 0,3105; 0,1105; 0,1104; 0,1103; 0,1102 Вт/м2.

Приведенная скорость парообразования (кипения) по формуле (2.1):

0,63·105/(0,067·106·2,04)=0,46 м/с;

0,3·105/(0,067·106·2,04)=0,219 м/с;

0,1·105/(0,067·106·2,04)=0,731·10-1 м/с;

0,1·104/(0,067·106·2,04)=0,731·10-2 м/с;

0,1·103/(0,067·106·2,04)=0,731·10-3 м/с;

0,1·102/(0,067·106·2,04)=0,731·10-4 м/с.

3. Характерный линейный размер для пузырькового кипения:

3,2·103·750·0,018·355/(0,067·106·2,04)2=8,2·10-5 м.

4. ЧислаРейнольдса:

0,46 ·8,2·10-5/(0,6710-6)=56,3>0,01;

0,219 ·8,2·10-5/(0,6710-6)=26,8>0,01;

0,731·10-1·8,2·10-5/(0,6710-6)=8,9>0,01;

0,731·10-2·8,2·10-5/(0,6710-6)=0,89>0,01;

0,731·10-3·8,2·10-5/(0,6710-6)=0,089>0,01;

0,731·10-4·8,2·10-5/(0,6710-6)=0,0089<0,01.

5. Числа Нуссельта для пузырькового режима при Re> 0,01 по формуле (2.2):

0,125·56,30,65·12,50,33=4;

0,125·26,80,65·12,50,33=2,43;

0,125·8,90,65·12,50,33=1,9;

0,125·0,890,65·12,50,33=0,266;

0,125·0,00890,65·12,50,33=0,0597.

Числа Нуссельта при Re 0,01:

0,0625·0,00120,5·12,50,33=0,00498.

6. Коэффициенты теплоотдачи при пузырьковом кипении:

4·0,131/(8,2·10-5)=6390 Вт/(м2К);

2,43·0,131/(8,2·10-5)=3882 Вт/(м2К);

1,9·0,131/(8,2·10-5)=3035 Вт/(м2К);

0,266·0,131/(8,2·10-5)=425 Вт/(м2К);

0,0597·0,131/(8,2·10-5)=95 Вт/(м2К);

0,00498·0,131/(8,2·10-5)=8 Вт/(м2К).

7. Температурный напор при пузырьковом режиме:

0,63·105/6390=9,8 К;

0,3·105/3882=7,7 К;

0,1·105/3035=3,3 К;

0,1·104/425=2,3 К;

0,1·103/95=1,05 К;

0,1·102/8=1,25 К.

8. Второй критический тепловой поток находится по формуле (4.3):

0,1250,067106 2,04 [0,0189,81(750 - 2,04) / 7502]0,25=2115 Вт/м2.

9. Критический коэффициент теплоотдачи при пленочном кипении по формуле (3.1):

.

В этом выражении два неизвестных: и . Разрешая его относительно tкр2, получим:

2115/11.12=190.2 Вт/(м2К).

10. Для построения кривой пленочного кипения задаемся другими ti 11.12 К: 200; 400; 800 К.

11. По формуле (3.1) определяем коэффициенты теплоотдачи i при пленочном кипении для заданных выше ti:

=0,62·[0,0243·0,067·106(750-2,04)9,81/(4.6·10-6·200·0,015)]0,25 = 52.2 Вт/(м2К);

=0,62·[0,0243·0,067·106(750-2,04)9,81/(4.6·10-6·400·0,015)]0,25 = 44 Вт/(м2К);

=0,62·[0,0243·0,067·106(750-2,04)9,81/(4.6·10-6·800·0,015)]0,25 = 37 Вт/(м2К).

тепловой поток теплопередача

12. Плотность теплового потока:

52.2·200=10440 Вт/м2;

44·400=17600 Вт/м2;

37·800=29600 Вт/м2.

13. Результаты расчетов вносим в табл. 6.1.

Таблица 6.1

Расчетные данные для построения кривой кипения воды

	Пузырьковый режим	Пленочный режим
q, Вт/м2	0,1·102	0,1·103	0,1·104	0,1·105	0,3·105	0,63·105	2.1·103	1.04·104	1.7·104	2.9·104
	1	2	3	4	4.5	4.8	3.3	4.0	4.2	4.5
Вт/(м2К)	6390	3882	3035	425	95	8	190.2	52.2	44	37
	3.8	3.6	3.5	2.6	2.0	0.9	2.3	1.7	1.6	1.5
К	1.25	1.05	2.3	3.3	7.7	9.8	11.22	200	400	800
	0.096	0.021	0.36	0.52	0.88	0.99	1.05	2.30	2.60	2.90



14. Строим кривую кипения (см. рисyнок).

Кривая кипения воды при р = 1 бар

Размещено на Allbest.ru

...