Расчет теплообменника газотурбинного двигателя замкнутого цикла

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени академика С. П. КОРОЛЕВА

(национальный исследовательский  университет)

 

Факультет Двигатели летательных аппаратов

 

 

Кафедра теплотехники и тепловых двигателей

 

 

 

 

 

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовой работе по теплопередаче на тему

“Расчет теплообменника газотурбинного двигателя замкнутого цикла ”

 

Вариант №2

 

 

 

 

 

 

 

          Выполнил: Банникова В.И.

                                                                       группа 2304

Проверил: Белозерцев В.Н.

        Оценка:

        Дата:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самара 2012

ЗАДАНИЕ

 

Выполнить конструкторский тепловой и гидравлический расчет противоточного теплообменника-холодильника газотурбинной наземной установки замкнутого цикла. Исходные данные приведены в таблице 1.

 

Таблица 1 - Исходные данные

 

Q, кДж/с					Рг , МПа
1632	15	32	254	37	4,5

 

 

 

 

Реферат

 

Курсовая работа

Пояснительная записка: 18 с, 5 рисунков, 2 таблицы, 7 источников.

ТЕПЛООБМЕННИК, ГТД, ЗАМКНУТЫЙ ЦИКЛ, ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ, ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ, ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ, КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛООТДАЧИ, КРИТЕРИИЙ РЕЙНОЛЬДСА, КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ, ПЛОЩАДЬ СЕЧЕНИЯ, ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ, МОЩНОСТЬ.

Объектом исследования является теплообменник-холодильник газотурбинного двигателя замкнутого цикла.

Цель работы - конструкторский тепловой и гидравлический расчет теплообменника.

В процессе работы использована методика конструкторского теплового и гидравлического расчета противоточного теплообменника-холодильника газотурбинной наземной установки замкнутого цикла.

В результате работы определено, что выбор оптимальных форм и размеров поверхности нагрева теплообменника оказывает влияние на соотношение между поверхностью теплообмена и расходом энергии на движение теплоносителей.

Эффективность работы заключается в выборе исходных конструктивных соотношений для компоновки теплообменника, в определении площади рабочей поверхности теплообменника и его основных размеров, потерь давления теплоносителя при прохождении его через аппарат, затрат мощности на прокачку холодного теплоносителя.

 

СОДЕРЖАНИЕ      

                                                                                                                                 стр.

 

ВВЕДЕНИЕ .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 5

1 Описание, конструкция и принцип  работы теплообменника ГТД замкнутого  цикла .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 6

2 Тепловой расчет противоточного рекуперативного теплообменника

2.1 Определение массовых секундных  расходов теплоносителей  .  .  .  .  .  .  .  8

2.2 Определение температурных условий работы теплообменника .  .  .  .  .  .   8

2.3 Определение коэффициентов теплоотдачи .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 9

2.4 Определение коэффициентов теплоотдачи .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  12

2.5 Определение площади поверхности  охлаждения .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  . 13

3 Гидравлический расчет теплообменника .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . .  .  .  .  .  .  .  .  15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  17

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  .  . 18 

ВВЕДЕНИЕ

 

Аппараты теплообменные предназначены для нагрева и охлаждения жидких и газообразных сред в технологических процессах, теплообмена между технологическими средами с температурой от минус 60 °С до плюс 550 °С. В зависимости от назначения кожухотрубчатые аппараты могут быть теплообменниками, холодильниками, конденсаторами и испарителями. Холодильники - для охлаждения различных жидких или газообразных сред пресной, морской водой или хладагентами с температурой охлаждаемой среды в кожухе от 0 до +400 °C и температурой охлаждающей среды в трубах от - 20 до +60 °C. Конденсаторы - для конденсации и охлаждения парообразных сред пресной, морской водой или другими хладагентами с температурой конденсируемой среды в кожухе от 0 до +400 °C и температурой охлаждающей среды в трубах от -20 до +60 °C. Испарители - для нагрева и испарения различных жидких сред с температурой греющей и испаряемой сред от минус 30 до +450 °C, для приема, хранения и выдачи жидких и газообразных сред, для систем отопления и горячего водоснабжения, работающих в режиме 70/150 °С, 70/130 °С и 70/95 °С.

Теплообменные аппараты изготовляются: по расположению - вертикальными и горизонтальными и наклонными в соответствии с требованиями технологического процесса или удобства монтажа.; по числу ходов в трубном пространстве - одноходовыми, двухходовыми, четырехходовыми и шестиходовыми; по компоновке - одинарными и сдвоенными; по материалу основных узлов и деталей - с деталями трубного и межтрубного пространств из углеродистой или коррозионностойкой стали; с деталями трубного пространства из коррозионностойкой стали, а межтрубного пространства - из углеродистой стали; с трубами из латуни или алюминиево-магниевого сплава и деталями межтрубного пространства из углеродистой стали.

Кожухотрубчатые теплообменники - наиболее распространенная конструкция теплообменной аппаратуры. По ГОСТ 9929-82 стальные кожухотрубчатые теплообменные аппараты изготовляют следующих типов: ТН - с неподвижными трубными решетками; ТК - с температурным компенсатором на кожухе; ТП - с плавающей головкой; ТУ - с U-образными трубами; ТПК - с плавающей головкой и компенсатором на ней.

Данная работа посвящена расчету противоточного кожухотрубчатого теплообменника-холодильника газотурбинной наземной установки замкнутого цикла. Основными элементами кожухотрубчатых теплообменников являются пучки труб, трубные решетки, корпус, крышки, патрубки. Концы труб крепятся в трубных решетках развальцовкой, сваркой и пайкой.

 

1. Описание, конструкция теплообменника ГТД замкнутого цикла

 

 Принципиальная  схема газотурбинной установки  регенеративного цикла с промежуточным  охлаждением газа в теплообменнике-холодильнике  представлена на рисунке 1. Схема газотурбинного регенеративного цикла включает в себя: 1 - реактор; 2 - турбина; 3 - компрессор; 4 - электрогенератор; 5 - теплообменник; 6 - холодильник; 7 - регенератор.

Рисунок 1 - Принципиальная схема газотурбинного регенеративного цикла с промежуточным охлаждением газа

 

Конструктивная схема теплообменника представлена на рисунке 2.

 

Рисунок 2 - Конструктивная схема холодильника

Холодильник представляет собой кожухотрубчатый теплообменник, расположенный горизонтально. Теплопередающая поверхность его образована пучком труб 1, закрепленных в трубных решетках 2, которые охвачены кожухом З, снабженным днищами 4 и патрубками 5 для входа и выхода газа и охлаждающей воды. Таким образом, получаются две полости, разделенные стенками труб: трубное пространство, по которому движется горячий газ (воздух) и межтрубное пространство, по которому движется охлаждающая вода. Общий вид некоторых теплообменных кожухотрубчатых аппаратов представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 - Аппараты теплообменные кожухотрубчатые

 

2 Тепловой расчет противоточного рекуперативного теплообменника

2.1 Определение массовых секундных  расходов теплоносителей.

 

На основе уравнения теплового баланса, при отсутствии потерь тепла в фазовых переходов теплоносителей (Q = Gг Diг = Gв Diв ), массовый секундный расход теплоносителей определяется по формуле:

,                                               (2.1)

где G - массовый секундный расход, кг/с;

Q - тепловой поток, Вт;

Di - изменение энтальпии, Дж/кг.

,                                              (2.2)

где - средняя изобарная теплоёмкость, Дж/кг×К;

Dt - изменение температуры, (для газа , для воды ) °С.

Температурные условия работы теплообменника, необходимые для вычисления массовых секундных расходов теплоносителей, и значения массовых секундных расходов теплоносителей определены в пункте 2.2.

 

2.2 Определение температурных условий работы теплообменника.

Средняя по длине теплообменника температура воды определяется по формуле:

,                                   (2.3)

где - температура на входе, °С;

- температура на выходе, °С.

Средняя по длине теплообменника температура газа определяется по формуле:

 ,                                         (2.4)

где Dtср - среднелогарифмический температурный напор между теплоносителями.

 

                 (2.5)

 

По полученным значениям tср в и tср г определяются теплофизические характеристики теплоносителей, которые представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Теплофизические характеристики теплоносителей [ 1 ]

 

Параметр	Газ	Параметр	Вода
T, К	383 К	t, °C	20
r, кг/м 3	40,938	r, кг/м 3	998,2
Сp , кДж/кг×К	1,009	Сp , кДж/кг×К	4,183
l, Вт/м×К	3,28*10-2	l, Вт/м×К	59,9∙10-2
а, м/с 2	35,2*106	i, кДж/кг	83,91
n0 , м/с 2	24,29×10-6	m, Н×с/м 2	1004,5×10-6
Pr	0,687	Pr	7,02
___	___	р, МПа	0,0024

 

;

.

 

2.3 Определение коэффициентов теплоотдачи.

 

Коэффициент теплоотдачи от охлаждаемого газа к стенке трубки определяется по формуле:

,                                   (2.6)

где aг - коэффициент теплоотдачи, Вт/м 2К;

dвн - диаметр трубки, (dвн = 0,008 … 0,012) мм;

lг - коэффициент теплопроводности, Вт/мК;

Re - критерий Рейнольдса;

Pr - критерий Прандтля;

yг = 1,05 - коэффициент, учитывающий влияние температурного фактора для охлаждаемого газа.

Диаметр трубки принимается равным 8 мм.

Коэффициент теплоотдачи от охлаждаемого газа к стенке трубки определяется с учетом числа трубок, по которым он протекает.

Число трубок, по которым протекает охлаждаемый газ, определяется по формуле:

,                                              (2.7)

где rг - плотность газа, кг/м3;

wг - скорость газа, (wг = 15 … 30) м/с.

                                 (2.8)

Скорость газа принимается равной 16 м/с.

.

Число трубок округляется до 241

Определяется значение действительной скорости газа:

Полученная скорость  отличается на 6,1 % от рекомендованной, что удовлетворяет погрешности 10 %.

Критерий Рейнольдса определяется по формуле:

,                                               (2.9)

где nг - коэффициент кинематической вязкости газа, м /с.

;

;

.

Коэффициент теплоотдачи от трубок к охлаждающей воде определяется по формуле:

,

где dэкв - диаметр эквивалентный, м;

yв =1,02 - коэффициент, учитывающий влияние температурного фактора для нагреваемой воды.

Определяется проходное (живое) сечение межтрубного пространства по формуле:

,                                              (2.10)

где rв - плотность воды, кг/м 3;

wв - скорость воды, (wв = 1 … 3) м/с.

Скорость воды принимается равной 2 м/с.

.

Внутренний диаметр кожуха определяется по формуле:

;                                    (2.11)

,                         (2.12)

где d - толщина стенки трубы, (d = 0,002 … 0,004), м.

Толщина стенки трубы принимается равной 3 мм.

.

На схеме трубной доски размещаются отверстия под трубки с шагом:

.

Шаг должен быть не меньше минимального шага:

.

Принимается шаг равный 0,0175 м.