Исследование термодинамических процессов и расчет теплообменного аппарата

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

 

Государственное образовательное  учреждение высшего профессионального  образования

"Уфимский государственный нефтяной  технический университет"

 

Кафедра «Промышленная теплоэнергетика»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ  ПРОЦЕССОВ

И РАСЧЕТ ТЕПЛООБМЕННОГО АППАРАТА

 

 

 

Курсовая работа

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫПОЛНИЛА

студ. гр. БГБ 08 – 01                                                                   Г.Т. Карабакиева

 

РУКОВОДИТЕЛЬ,

канд. техн. наук, доц.                                                                 С.Н. Костарева

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УФА 20010

РЕФЕРАТ

 

В данной работе произведены  расчеты термодинамических процессов  с идеальными углеводородными смесями, в частности для изобарного, изотермического и адиабатного процесса. Результаты расчетов занесены в итоговую таблицу и представлены графически в виде зависимостей P(V) и ∆S(T). Также произведен конструктивный тепловой расчет теплообменного аппарата. Результаты расчета занесены в сводную таблицу и построена схема конструкции односекционного горизонтального подогревателя.

 

 

ЭНТАЛЬПИЯ, ЭНТРОПИЯ, ПОКЗАТЕЛЬ  ПОЛИТРОПЫ, ПОКАЗАТЕЛЬ АДИАБАТЫ, ГАЗОВАЯ  ПОСТОЯННАЯ, АДИАБАТНЫЙ ПРОЦЕСС, ИЗОХОРНЫЙ  ПРОЦЕСС, ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС, ИЗОБАРНЫЙ  ПРОЦЕСС, УДЕЛЬНАЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ РАБОТА, ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ УДЕЛЬНАЯ РАБОТА, УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА, ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ МАССА,

КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ, ХОЛОДНЫЙ ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ, ГОРЯЧИИ ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ, КОЭФФИЦИЕНТ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ, КОЭФФИЦИЕНТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ, КОЭФФИЦИЕНТ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ, КОЭФФИЦИЕНТ ОБЪЕМНОГО РАСШИРЕНИЯ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

 

С – теплоемкость политропная, кДж/(кг К);

С_v – теплоемкость изохорная, кДж/(кг К);

С_р – теплоемкость изобарная, кДж/(кг К);

d – знак дифференциала;

h – энтальпия удельная, кДж/кг;

К – показатель адиабаты;

L – работа удельная термодинамическая, кДж/кг;

L_n – работа удельная потенциальная, кДж/кг;

n– показатель политропы;

Р – давление, Па;

q– теплота удельная, кДж/кг;

R – газовая постоянная, кДж/(кг К);

S – энтропия удельная, кДж/(кг К);

Т – термодинамическая  температура, К;

U – внутренняя энергия удельная, кДж/кг;

V – объем удельный, м³/кг;

α – коэффициент распределения  энергии;

δ – знак элементарной величины;

∆ – знак изменения конечной величины;

Q – полезный тепловой поток, Вт;

G₁, G₂ – массовый расход соответственно горячего и холодного теплоносителей, кг/с;

С_р1, С_р2 – средние массовые теплоемкости теплоносителей в интервале температур от t^' до t^", Дж(кг·К);

η – коэффициент использования теплоты;

w – скорость теплоносителя, м/с;

f – сечение, м²;

q – плотность, кг/м²;

∆t₁=t^'₁ – t^"₂, ∆t₂=t^"₂ – t^'₁ – изменение температуры горячего и холодного теплоносителя по длине аппарата;

k и ∆t – коэффициент теплопередачи, Вт/( м²·К) и средний температурный напор для всего теплообменного аппарата, К;

F – поверхность теплообмена, м²;

α₁ – коэффициент теплоотдачи от горячего теплоносителя к поверхности

стенки, кВт/(м²·К);

α₂ – коэффициент теплоотдачи от поверхности стенки к холодному теплоносителю, кВт/(м²·К);

δ_с – толщина стенки трубок, м;

λ_с – коэффициент теплопроводности материала стенки трубок, кВт/(м·К);

d_н и d_в – соответственно наружный и внутренний диаметр трубок, м;

δ_нак и λ_нак – соответственно толщина, м и коэффициент теплопроводности слоя накипи или отложений, кВт/(м²·К);

ρ – средняя плотность, кг/м³;

λ – коэффициент теплопроводности, кВт/(м·К);

С_р – удельная теплоемкость, кДж/(кг·К);

ν – коэффициент кинематической вязкости, м²/с;

β – коэффициент объемного  расширения, 1/К;

δ_к – температурный напор (разница температур теплообменника и стенки);

k₀ – коэффициент, определяемый по величине числа Рейнольдса;

f – сечение, м²;

D – внутренний диаметр кожуха теплообменника, м;

d_H – наружный диаметр трубок, м;

t_c – температура поверхности стенки трубы;

α – искомый коэффициент  теплоотдачи кипящей жидкости с  учетом ее вынужденного движения;

α_w – коэффициент теплоотдачи однофазной кипящей жидкости при скорости w;

α_к – коэффициент теплоотдачи при развитом пузырьковом кипении в условиях свободной конвекции;

Pr_ж и Pr_с – число Прандтля для конденсата соответственно при температурах t_s и t_c;

А – коэффициент, 1/(м·^°С);

В – коэффициент, м/Вт;

Н – высота вертикальной стенки трубы;

R – радиус трубы;

∆t=(t_s-t_c) – температурный напор;

λ, v и q – коэффициент теплопроводности, кинематической вязкости и плотности конденсата при температуре насыщения t_s;

r – теплота парообразования при t_s;

t_с – температура наружной поверхности корпуса теплообменника;

t_ж – температура окружающей среды вдали от стенки;

q_л – плотность потока теплового излучения, Вт/м²;

ε_пр – приведенная степень черноты системы "наружная стенка (кожух) теплообменника – окружающая среда";

С₀ – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

Т_с, Т_ж – абсолютные температуры наружной поверхности теплообменника и окружающей среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

С.

 

Реферат.....................................................................................................................2

Условные обозначения….………………………………………………………...3

Введение……………...……………………………………………………………7

1 Термодинамические процессы  с идеальными углеводородными смесями…8

1.1 Задание………………………………………………………………………...8

1.2 Обработка исходных данных………………………………………………...9

1.3 Расчетная часть………………………………………………………………10

1.3.1 Показатель политропы n₁ = 0……………………………………………...10

1.3.2 Показатель политропы n₂ = 0,7……………………………………………13

1.3.3 Показатель политропы n₃ = 1……………………………………………...15

1.3.4 Показатель политропы n₄ = 1,15………………………………………..  18

1.3.5 Показатель политропы n₅ = k……………………………………………...21

1.3.6 Показатель политропы n₆=1,9…………………………………………...23

Сводная таблица результатов  термодинамического расчета………………....30

2 Тепловой расчет теплообменного  аппарата………………………………….31

2.1 Задание……………………………………………………………………….31

2.1.1 Теплофизические свойства  для воды и нефти…………………………...32

2.2 Обработка исходных данных……………………………………………….33

Определение параметров холодного  теплоносителя (нефть)………………...33

Определение параметров горячего теплоносителя (вода)……………………34

Сводная таблица результатов  расчета теплообменного аппарата……………39

Заключение……………………………………………………………………….40

Список использованных источников…………………………………………...41

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Биолог Н. Реймерс утверждает: «Нас (человечество) сейчас отделяет от тепловой смерти биосферы лишь один порядок величин. Будем использовать в 10 раз больше энергии, чем сейчас, и погибнем». Причина заключается в так называемом «парниковом эффекте»: содержащийся в атмосфере диоксид углерода СО₂ пропускает солнечные лучи на Землю, но препятствует охлаждению Земли путем излучения в космос. В последние годы ученые мира со все большим беспокойством говорят о повышении концентрации СО₂ в атмосфере. Кроме выбросов СО₂,топливосжигающие и теплоэнергетические установки производят тепловые загрязнения (выбросы нагретой воды и газов), химические (оксиды серы и азота), золу и сажу, которые с увеличением масштаба производства также создают серьезные проблемы. Исключить эти выбросы или хотя бы свести их к минимуму можно только на основе глубокого понимания процессов, протекающих в топливоиспользующих установках. Фактически экология ставит человечество перед необходимостью делать производства безотходным.

Энергетическая эффективность  многих технологических процессов  чрезвычайно низка, ибо технологи, разрабатывая соответствующие процессы, зачастую не ставили во главу угла вопросы экономии топлива. Отечественные процессы зачастую оказываются более энергоемкими, чем зарубежные.

Однако сегодня выгоднее вкладывать средства не в увеличение добычи топлива, чтобы продолжать расходовать его  с низкой эффективностью, а в разработку технологических процессов, обеспечивающих более экономное его использование. В целом более 90 % всей используемой человечеством энергии приходится на ископаемые органические топлива. Это определяет роль теплотехники – общеинженерной дисциплины, изучающей методы получения, преобразования, передачи и использования теплоты и связанных с этими аппаратами и устройствами.

1 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  С ИДЕАЛЬНЫМИ 

УГЛЕВОДОРОДНЫМИ СМЕСЯМИ

 

1. ЗАДАНИЕ

 

1 кг смеси в емкости  хранения сжиженных нефтяных газов совершает термодинамические процессы от состояния 1 до состояния 2 с показателями n₁=0; n₂=0,7; n₃=1; n₄=1,15; n₅=k; n₆=1,9.

Объем газовой смеси  во всех процессах изменяется в ε=V₂/V₁=1,6 раза.

Смесь обладает свойствами идеального газа.

Начальное (в состоянии 1) давление Р₁=7·10⁵Па.

Температура t₁=29^°С. (T=302,15ºK)

Определить основные параметры газовой смеси в  состоянии 1 (T₁, V₁) и состоянии 2 (T₂, V₂, P₂), изменение внутренней энергии, энтальпии, энтропии смеси, работу, внешнюю теплоту процесса, коэффициент распределения энергии в процессах.

Состав газовой смеси по объему, %           V (CH₄)=90;

                                                                        V (C₂H₆)=4;

                                                                        V (C₃H₈)=0;

                                                                        V (CO₂)=1;

                                                                        V (H₂O)=4;

                                                                        V (N₂)=1

 

 

 

 

 

 

 

1.2 ОБРАБОТКА ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

 

          Расчет термодинамических параметров выполняется соответствии с учебным пособием «Термодинамические процессы с идеальными углеводородными смесями», авторы : Ф.Ф. Абузова, Р.А. Молчанова, М.А. Гиззатов.

 

1.2.1 Молярная масса газовой смеси

          μ_см = ∑(r_i·μ_i);

          μ_см = (0,9·16,04)+(0,04·30,07)+(0,01·44,01)+(0,04·18,02)+

+(0,01·28,03) = 17,08 кг/кмоль.

 

Молярная масса компонентов  газовой смеси

          μ(СН₄) = 16,04 кг/кмоль

          μ(C₂H₆) = 30,07 кг/кмоль

          μ(C₃H₈) = 44,09 кг/кмоль

          μ(CO₂) = 44,01 кг/кмоль

          μ(H₂O) = 18,02 кг/кмоль

          μ(N₂₎ = 28,03 кг/кмоль

 

2. Газовая постоянная смеси

          R_см = R_μ/μ_см;

          R_см = 8,314/17,08= 487 Дж/кг·К = 0,487 кДж/кг·К.

 

3. Температура Т₁

          Т₁ = 29+273,15 =302,15 К.

 

4. Начальный объем газовой смеси

          V₁ = R_см·T₁/P₁;

          V₁ = 0,487·302,15/7·10⁵ = 0,00021 м³/кг.

 

5. Конечный объем смеси

         V₂ = ε·V₁;

         V₂ = 1,6·0,21 = 0,00034 м³/кг.

 

6. Массовые доли смеси 

          m_i = r_i·μ_i/μ_см;

          m (CH₄) = 16,04·0,9/17,08=0,845;

          m (C₂H₆) = 30,07·0,004/17,08= 0,07;

          m (CO₂) = 44,01·0,01/17,08=0,026;

          m (H₂O) = 18,02·0,04/17,08= 0,042;

          m (N₂) = 28,03·0,01/17,08= 0,017;

 

 

3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

 

1.3.1 Показатель политропы n₁ = 0

         Изобарный  процесс: P = const.

 

1.3.1.1 Давление в конце процесса

          P₂ = P₁ = 7·10⁵ Па.

 

1.3.1.2 Температура в конце процесса

          Закон Гей-Люссака: V₁/V₂ = T₁/T₂;

          T₂ = T₁·V₂/V₁;

          T₂ =302,15·1,6 = 483,44 К.

 

1.3.1.3 Средняя температура  процесса

          Т_ср = (Т₁+Т₂)/2;

          Т_ср = (302,15+483,44)/2 = 392,8 К.

          t_ср =392,8– 273,15 = 119,65^°С.

1.3.1.4 Массовые теплоемкости  компонентов смеси 

          -для углеводородных газов – по графику зависимости

          теплоемкости от температуры С_р = f(T)

          C_P(CH₄) = 2,49 кДж/кг К;

          C_P(C₃H₈) = 2,14 кДж/кг К;

          -для неуглеводородных газов – по интерполяционным формулам

          для истинных мольных теплоемкостей

          μ_ср(Н₂О) = 32,8367+,0116611·t_ср;

          μ_ср(Н₂О) = 32,8367+,0116611·119,65= 34,23кг/моль;

          C_P(Н₂О) = μ_ср(Н₂О)/μ(Н₂О);

          C_P(Н₂О) = 34,23/18,02 = 1,9 кДж/кг К;  

          μ_ср(СО₂) = 41,3597+0,0144985 t_ср;

          μ_ср(СО₂) = 41,3597+0,0144985·119,65= 43,09кг/моль;