Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Дисциплина: Основы термодинамики и теплопередачи

Исследование термодинамических процессов и расчет теплообменного аппарата

Содержание

Реферат

Введение

1. Термодинамические процессы с идеальными углеводородными смесями

1.1 Исходные данные для термодинамических расчетов

1.2 Определение параметров газовой смеси одинаковых для всех термодинамических процессов

1.3 Политропный процесс с показателем политропы 0

1.4 Политропный процесс с показателем политропы 0,4

1.5 Политропный процесс с показателем политропы 1,0

1.6 Политропный процесс с показателем политропы 1,15

1.7 Политропный процесс с показателем политропы 1,3

1.8 Политропный процесс с показателем политропы 1,6

2. Расчет теплообменного аппарата

2.1 Исходные данные

2.2 Расчет коэффициента теплоотдачи

2.3 Конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата

2.4 Рекуперативный теплообменник с трубчатой поверхностью теплообмена (прямоток)

Заключение

Список использованных источников

Реферат

Курсовая работа содержит пояснительную записку на 49 листах формата А4, включающую 6 рисунков, 2 таблицы и 3 литературных источника.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, ГАЗОВАЯ СМЕСЬ, ТЕПЛОТА ПРОЦЕССА, РАБОТА, ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ, ПОКАЗАТЕЛЬ ПОЛИТРОПЫ, ТЕПЛООБМЕН, РЕКУПЕРАТИВНЫЙ ТЕПЛООБМЕННЫЙ АППАРАТ, ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ, ПРЯМОТОЧНОЕ И ПРОТИВОТОЧНОЕ НАПРАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ.

В курсовой работе рассмотрены вопросы исследования и термодинамических процессов и расчета теплообменного аппарата. По результатам расчетов построены P-v и T-S диаграммы для заданных термодинамических процессов и получены конструктивные размеры теплообменного аппарата.



Введение

В термодинамике рассматриваются обратимые процессы. Все реальные процессы необратимы, они протекают с конечной скоростью (при наличии трения и диффузии) и при значительной разности температур РТ и источников теплоты.

Термодинамическим процессом называется изменение состояния термодинамической системы, характеризующееся изменением ее параметров. В качестве термодинамических систем могут рассматриваться некоторые объемы газов.

В основных технологических установках и устройствах нефтяной и газовой промышленности наиболее часто встречающимися газами являются углеводородные или их смеси с компонентами воздуха и небольшим количеством примесей других газов. Это могут быть процессы в газгольдерах, пропан-бутановых хранилищах, сырьевых и товарных парков нефтеперерабатывающих заводов, нефтебаз, нефтеперекачивающих станций, а также в газораспределительных сетях газоснабжения населенных пунктов.

Целью термодинамического расчета является определение основных параметров газовой смеси в конечном состоянии

Теплообменным аппаратом (теплообменником) называется устройство, в котором осуществляется теплообмен между двумя или несколькими теплоносителями. В рекуперативных теплообменниках теплоносители непрерывно омывают разделяющую стенку (поверхность теплообмена) с двух сторон и обмениваются при этом теплотой. В рекуперативном трубчатом теплообменнике один из теплоносителей протекает внутри труб, а второй омывает их наружные поверхности. Цель конструктивного расчета состоит в определении величины поверхности теплообмена по известному количеству передаваемой теплоты и температурам теплоносителей на входе и выходе аппарата.

1. Термодинамические процессы с идеальными углеводородными смесями

углеводородный смесь теплообмен рекуперативный

1.1 Исходные данные для термодинамических расчетов

1 кг газовой смеси в распределительной газовой сети (в емкости хранения сжиженных нефтяных газов, в газовом пространстве резервуара для нефти) в зависимости от состава совершает термодинамические процессы от состояния 1 до состояния 2 с показателями .

Температура

Объем газовой смеси во всех процессах изменяется в

раз.

Смесь обладает свойствами идеального газа.

Начальное (в состоянии 1) давление .

Определить основные параметры газовой смеси в состоянии 1 () и состоянии 2 (), изменение внутренней энергии, энтальпии, энтропии смеси, работу, внешнюю теплоту процесса, коэффициент распределения энергии в процессах.

Состав газовой смеси по объему:

Все расчеты были выполнены в соответствии с методическими указаниями [1].

1.2 Определение параметров газовой смеси одинаковых для всех термодинамических процессов

Определение кажущейся молекулярной массы смеси

Размещено на http://www.allbest.ru/

Массовые доли смеси

Газовая постоянная смеси



Объем газовой смеси в начальном состоянии

Объем газовой смеси в конечном состоянии

1.3 Политропный процесс с показателем политропы 0

Политропный процесс с показателем политропы

Давление газовой смеси в конечном состоянии

Температура газовой смеси в конечном состоянии



Средняя температура процесса

Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси



Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси



Термодинамическая работа процесса

Потенциальная работа процесса

Изменение внутренней энергии

Изменение энтальпии



Изменение энтропии

Теплота процесса

Коэффициент распределения энергии

Проверка правильности расчетов



Показатель адиабаты

1.4 Политропный процесс с показателем политропы 0,4

Политропный процесс с показателем политропы

Давление газовой смеси в конечном состоянии

Температура газовой смеси в конечном состоянии



Средняя температура процесса

Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

Показатель адиабаты



Термодинамическая работа процесса

Потенциальная работа процесса

Изменение внутренней энергии

Изменение энтальпии



Политропная теплоёмкость

Теплота процесса

Изменение энтропии

Коэффициент распределения энергии



Проверка правильности расчетов

1.5 Политропный процесс с показателем политропы 1,0

Политропный процесс с показателем политропы

Давление газовой смеси в конечном состоянии

Температура газовой смеси в конечном состоянии



Средняя температура процесса

Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

Термодинамическая работа процесса

Потенциальная работа процесса



Изменение внутренней энергии

Изменение энтальпии

Изменение энтропии

Теплота процесса

Коэффициент распределения энергии



Проверка правильности расчетов

Показатель адиабаты

1.6 Политропный процесс с показателем политропы 1,15

Политропный процесс с показателем политропы

Давление газовой смеси в конечном состоянии



Температура газовой смеси в конечном состоянии

Средняя температура процесса

Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси



Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси



Показатель адиабаты

Термодинамическая работа процесса

Потенциальная работа процесса

Изменение внутренней энергии



Изменение энтальпии

Политропная теплоёмкость

Теплота процесса

Изменение энтропии



Коэффициент распределения энергии

Проверка правильности расчетов

1.7 Политропный процесс с показателем политропы 1,3

Политропный процесс с показателем политропы

Давление газовой смеси в конечном состоянии



Температура газовой смеси в конечном состоянии

Средняя температура процесса

Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси

Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

Показатель адиабаты



Термодинамическая работа процесса

Потенциальная работа процесса

Изменение внутренней энергии

Изменение энтальпии



Теплота процесса

Изменение энтропии

Коэффициент распределения энергии

Проверка правильности расчетов



1.8 Политропный процесс с показателем политропы 1,6

Политропный процесс с показателем политропы

Давление газовой смеси в конечном состоянии

Температура газовой смеси в конечном состоянии

Средняя температура процесса

Средняя изобарная теплоёмкость компонентов газовой смеси

Средняя массовая изобарная теплоёмкость газовой смеси



Средняя массовая изохорная теплоёмкость газовой смеси

Показатель адиабаты

Термодинамическая работа процесса

Потенциальная работа процесса



Изменение внутренней энергии

Изменение энтальпии

Политропная теплоёмкость

Теплота процесса



Изменение энтропии

Коэффициент распределения энергии

Проверка правильности расчетов

%

Таблица 1 Результаты термодинамического расчета

Показатель политропны														Относительная ошибка расчета, %
0	3500000	3500000	0,0398	0,0517	280	364	143,388	185,136	0,578	41,748	0	185,136	0,775	0
0,4	3500000	3151306	0,0398	0,0517	280	327,7	83,809	107,5158	0,407	39,5115	15,805	123,339	0,679	0,01
1	3500000	26,92310	0,0398	0,0517	280	280	0	0	0,13	36,511	36,511	36,511	0	0
1,15	3500000	2588400	0,0398	0,0517	280	269,2	-17,172	-22,54	0,068	35,784	41,152	18,662	-0,92	0,28
k=1,3	3500000	2488500	0,0398	0,0517	280	258,8	-33,687	-44,202	0	33,771	44,31	0		0
1,6	3500000	2300160	0,0398	0,0517	280	239,2	-63,607	-83,885	-0,115	33,796	54,074	-29,784	2,136	0,09

Рисунок 1.1 Pv-диаграмма политропных процессов

Рисунок 1.2 TS-диаграмма политропных процессов



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.



2. Расчет теплообменного аппарата

2.1 Исходные данные

В одноходовом кожухотрубном теплообменном аппарате горячий теплоноситель движется в межтрубном пространстве и охлаждается от температуры 145 ?С до 85?С.

Внутренний диаметр кожуха аппарата D = м. Внутренний диаметр трубок =Наружный диаметр трубок =Холодный теплоноситель движется внутри металлических трубок. Холодный теплоноситель нагревается от 40 ?С до 70 ?С.

Число трубок в теплообменнике n = 93. Трубки теплообменника с внутренней стороны покрыты отложениями (накипью) толщиной д_нак = м. Тепловая мощность, вносимая в ТОА, Q_вн = 570 кВт. Потери теплоты в окружающую среду составляют (1 - з)·100=(1-0,96) ·100 = 4 %.

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

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

Известно также:

холодный теплоноситель - мазут;

горячий теплоноситель - мазут;

л_с = кВт/(м·К);

л_нак = кВт/(м·К).

Все расчеты были выполнены в соответствии с методическими указаниями [2].



2.2 Расчет коэффициента теплоотдачи

Средняя температура теплоносителей

Скорость движения теплоносителей

С_p = 1.74+0.0025·t_ср;

С_p1 = 1.74+0.0025·115=2,0275

С_p2 = 1.74+0.0025·55=1,8775



Числа рейнольдса

, м²/с

м²/с

м²/с

режим течения горячего теплоносителя - турбулентный

режим течения холодного теплоносителя -турбулентный

Температура стенки

Числа Прандтля

При

.

При

.

При

.

При

.

Число Грасгофа

Gr_ж,d·Pr _ж63047853> 8·10⁵ - турбулентный режим течения

Числа Нуссельта

При турбулентном течении (Re_ж,d > 10⁴)

Коэффициенты теплоотдачи



2.3 Конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата

Рисунок 2.1 Изменение температуры теплоносителей по длине прямоточного теплообменника



Рисунок 2.2 Изменение температуры теплоносителей по длине противоточного теплообменника

Средний логарифмический температурный напор



Коэффициент теплопередачи

Коэффициент теплопередачи с учетом слоя накипи

Коэффициент теплопередачи без учета слоя накипи

Поверхность теплообмена

Поверхность теплообмена для прямоточного теплообменника с учетом слоя накипи



Поверхность теплообмена для прямоточного теплообменника без учета слоя накипи

Поверхность теплообмена для противоточного теплообменника с учетом слоя накипи

Поверхность теплообмена для противоточного теплообменника без учета слоя накипи

Площадь поверхности трубок одной секции



Число секций теплообменника

Число секций прямоточного теплообменника с учетом слоя накипи

(2 секции)

Число секций прямоточного теплообменника без учета слоя накипи

(2 секци)

Число секций противоточного теплообменника с учетом слоя накипи

(2 секции)

Число секций противоточного теплообменника без учета слоя накипи



(1 секция)

Таблица 2 Сводная таблица расчетов теплообменного аппарата

Наименование	Схема движения теплоносителей
	прямоток	противоток
Средний температурный напор ?t , oC	46,25	58,73
Коэффициент теплопередачи при наличии накипи при отсутствии накипи	344,5 475,6
Поверхность нагрева F, м2 при наличии накипи при отсутствии накипи	34,3 24,9	27,05 19,6

2.4 Рекуперативный теплообменник с трубчатой поверхностью теплообмена (противоток)

Рисунок 2.3 Эскиз секции с основными размерами

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.

Руководствуясь данным расчетом теплообменного аппарата можно произвести выбор типа аппарата и его конструктивные размеры. Также на основе результатов расчета можно составить конструктивную схему аппарата.

Заключение

По T-S и P-v диаграммам, построенной в результате термодинамических расчетов, можно судить о закономерности изменения температуры и энтропии в зависимости от показателя политропы. Эти закономерности таковы:

1) при показателях политропы изменение температуры и энтропии будет положительно, а значит, внутренняя энергия и теплота процесса тоже будут положительные. Подведенная к газу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии и на совершение им работы расширения;

2) при показателях политропы изменение температуры отрицательно, а изменение энтропии положительно, значит, внутренняя энергия будет отрицательной, а теплота процесса же положительной. Работа расширения совершается как за счет подведенной к газу теплоты, так и за счет внутренней энергии;

3) при показателях политропы изменение температуры и энтропии будет отрицательно, а значит внутренняя энергия и теплота процесса тоже будут отрицательные. Расширение газа происходит с уменьшением его внутренней энергии и отдачей теплоты в окружающую среду.

В процессе расчета теплообменного аппарата были рассчитаны основные параметры теплоотдачи, а также выполнен конструктивный расчет и построена схема соединения секций для рекуперативного теплообменника с трубчатой поверхностью теплообмена.

Расчеты проводились для двух возможных направлений движения: противоточного и прямоточного. В результате выполнения курсовой работы было выяснено, что при противоточном направлении движения необходимая поверхность теплообмена будет несколько меньше чем при прямоточном. Это означает что размещение теплообменного аппарата с противоточным направлением движения проще из-за его меньших габаритов. Так же было учтено влияние слоя накипи, и расчеты показали, что при её наличии поверхность теплообмена будет больше.



Список использованных источников

1. Гатауллина А.Р., Кулагина О.В. учебно-методическое пособие по выполнению к.р. работы по теплотехнике «основные термодинамические процессы с идеальными углеводородными смесями»- Уфа: УГНТУ 2012г.

2. Рабинович О.М. сборник задач по технической термодинамике. М., «машиностроение», 1973, 344 с.

3. Латыпов Р. Ш. Техническая термодинамика и теплотехника: учеб. пособие. Уфа: УГНТУ, 2009. - 152с.

4. Теляшева Г. Д., Молчанова Р. А. Теплообмен. - Уфа: УГНТУ 2007г.

5. Баскаков А. П. Теплотехника: учебник для вузов - М.: Энергоатомиздат, 1991г. - 224с.

Размещено на Allbest.ru

Размещено на Allbest.ru

...