Расчет тепломассообмена стальной трубы диаметрами 35/28мм (температура газов = 1100 ºС, температура воды = 240 ºС)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАФЕДРА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ КУРСОВАЯ РАБОТА ПО ТЕПЛОМАССООБМЕНУ ВАРИАНТ № 12        Факультет: энергетика        Группа:  ЭТз-91у        Выполнил: студент Шмидт А.И.        Проверил: канд. техн. наук, доц. Ю.И. Шаров        Отметка о защите: Новосибирск 2002 г.

Дано:

Температура газов:  t_ƒ1 = 1100 ºС

Температура воды: t_ƒ2 = 240 ºС

Диаметры стальной трубы: d₁/d₂ = 35/28 мм

Толщина слоя сажи: δ_с = 3,0 мм

Толщина слоя накипи: δ_н = 1,0 мм

Скорость газов: W₁ = 8 м/с

Скорость воды: W₂ = 0,55 м/с

1 приближение

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

Re₁ = =1664,1

Где W₁ = 8 м/с – скорость газов – задана;

ν₁- 197,1 коэффициент кинематической вязкости газов, принимается по таблице при температуре газов t_ƒ1 = 1100 ºС;

d_н - наружный диаметр трубы, м

d_н  = d₁ +2 δ_с = 35+2·3=41 мм=0,041 м

Температура наружной стенки принимается в первом приближении:

t_w1=0,5(t_ƒ1 + t_ƒ1)= 0,5 (1100+240)= 670 ºС;

2.  Число Нуссельта для газов по уравнению подобия:

Nu₁=0,41= 28,98

Pr₁=0,57 – число Прандтля для газов, принимается по таблице при температуре газов t_ƒ1 = 1100 ºС;

Pr_w1 = 0,6125 – число Прандтля для газов при температуре стенки t_w1=670ºС.

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

   Вт/м²К

где λ₁ = 0,1175Вт/мК –коэффициент теплопроводности газов при t_ƒ1 = 1100 ºС;

4.  Лучистый тепловой поток для незапыленного потока газов по формуле:

q_л = c₀ε_c ε_гψ 

= 26788 Вт/м²

5.  Лучистый коэффициент теплоотдачи:

α_л= 62,3    Вт/м² К

6.Приведенный коэффициент теплоотдачи от газов к стенке:

α_ПР = α ₁ +α_л = 83,05+62,3=145,35 Вт/м²К

7.Число Рейнольдса для воды в трубах по формуле:

Re₂ = =1,01418·10⁵>10⁴

Т.е. режим движения воды – турбулентный.

Здесь W₂ = 0,55м/с – скорость воды  - задана.

 ν₂=0,141·10^-6  Кинематическая вязкость воды при температуре t_ƒ2 = 240 ˚C –

d_В=d₂-2 δ_Н=28-2·1=26 мм=0,026 м

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

Nu₂=0,021=200

Pr₂=0,87 число Прандтля воды по таблице при температуре t_f2=240 ˚C

Pr_w2 =0,87 число Прандтля воды при температуре стенки t_w2 , которая в первом приближении принимается t_w2= t_f2=240 ˚C.

9. Коэффициент конвективной теплопередачи к воде;

α₂ = = 4830,77  Вт/м²К

где λ₂ = 0,628 Вт/мК – коэффициент теплопроводности воды при t_f2=240 ˚C.

10. Линейный коэффициент теплопередачи от газов к воде через 3-слойную цилиндрическую стенку определяется по формуле: К_ℓ =

             

=1,015

11.Тепловой поток через 1 погонный метр трубы:

 q_ℓ=πK_ℓ(t_f1-t_f2)= π∙1,015∙(1100-240)=2742,3 Вт/м

12. Температура наружной поверхности трубы:

 t_w1=t_f1-=1100-=954˚С

13. Температура внутренней поверхности трубы:

 t_w2=t_f2+= 240+=247˚С

ΙΙ приближение

1.  Число Рейнольдса для газов остается без изменений

Re₁ = 1664,1

2. Pr_w1 = 0,596 – число Прандтля для газов при температуре стенки t_w1=954ºС.

тогда уточненное число Нуссельта для газов по уравнению подобия:

Nu₁=0,41= 28,85

Pr₁=0,57 – число Прандтля для газов, принимается по таблице при температуре газов t_ƒ1 = 1100 ºС;

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

 83,05  Вт/м²К

где λ₁ = 0,1175Вт/мК –коэффициент теплопроводности газов при t_ƒ1 = 1100 ºС;

4.  Лучистый тепловой поток для не запыленного потока газов

по формуле: q_л =   12479 Вт/м²

5.  Лучистый коэффициент теплоотдачи:

α_л= 85,47    Вт/м² К

6.Приведенный коэффициент теплоотдачи от газов к стенке:

α_ПР = α ₁ +α_л = 83,05+85,47=168,52 Вт/м²К

7.Число Рейнольдса для воды в трубах остается без изменений:

Re₂ = 1,01418·10⁵>10⁴

Т.е. режим движения воды – турбулентный.

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

Nu₂=0,021=200,326

Pr₂=0,87 число Прандтля воды по таблице при температуре t_f2=240 ˚C

Pr_w2 =0,865 число Прандтля воды при температуре стенки t_w2 =247 ˚C, рассчитанной в первом приближении.

9. Коэффициент конвективной теплопередачи к воде;

α₂ = = 4838,64 Вт/м²К

где λ₂ = 0,628 Вт/мК – коэффициент теплопроводности воды при t_f2=240 ˚C.

10. Линейный коэффициент теплопередачи от газов к воде через 3-слойную цилиндрическую стенку определяется по формуле: К_ℓ =

             

=0,99222

который отличается от найденного в первом приближении на:

δ_кℓ = = 2,244>1%, т.е. требуется третье приближение.

11.Тепловой поток через 1 погонный метр трубы:

 q_ℓ=πK_ℓ(t_f1-t_f2)= π∙0,99222∙(1100-240)=2680,75 Вт/м

12. Температура наружной поверхности трубы:

 t_w1=t_f1-=1100-=976,4988 ˚С

13. Температура внутренней поверхности трубы:

t_w2=t_f2+= 240+=246,783 ˚С

III приближение

1.  Число Рейнольдса для газов остается без изменений

Re₁ = 1664,1

2. Pr_w1 = 0,59 – число Прандтля для газов при температуре стенки t_w1=898,48ºС.

тогда уточненное число Нуссельта для газов по уравнению подобия:

Nu₁=0,41= 28,92

Pr₁=0,57 – число Прандтля для газов, принимается по таблице при температуре газов t_ƒ1 = 1100 ºС;

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

 82,88  Вт/м²К

где λ₁ = 0,1175Вт/мК –коэффициент теплопроводности газов при t_ƒ1 = 1100 ºС;

4.Лучистый тепловой поток для незапыленного потока газов

по формуле: q_л =    10822,5 Вт/м²

5.Лучистый коэффициент теплоотдачи:

α_л=   =87,63    Вт/м² К

6.Приведенный коэффициент теплоотдачи от газов к стенке:

α_ПР = α ₁ +α_л = 82,88+87,63=170,5 Вт/м²К

7.Число Рейнольдса для воды в трубах остается без изменений:

Re₂ = 1,01418·10⁵>10⁴

Т.е. режим движения воды – турбулентный.

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

Nu₂=0,021=200,326

Pr₂=0,87 число Прандтля воды по таблице при температуре t_f2=240 ˚C

Pr_w2 =0,865 число Прандтля воды при температуре стенки t_w2 =247 ˚C, рассчитанной в первом приближении.

9. Коэффициент конвективной теплопередачи к воде;

α₂ = = 4838,64 Вт/м²К

где λ₂ = 0,628 Вт/мК – коэффициент теплопроводности воды при t_f2=240 ˚C.

10. Линейный коэффициент теплопередачи от газов к воде через 3-слойную цилиндрическую стенку определяется по формуле: К_ℓ =

             

=0,99054

который отличается от найденного в первом приближении на:

δ_кℓ = = 0,283 <1%, т.е. расчёт в третьем приближении удовлетворяет заданной точности.

11.Тепловой поток через 1 погонный метр трубы:

 q_ℓ=πK_ℓ(t_f1-t_f2)= π∙0,99504∙(1100-240)=2688,37 Вт/м

12. Температура наружной поверхности трубы:

t_w1=t_f1-=1100-=977,586˚С

13. Температура на наружном слое сажи

t₁=t_w1-=300,597°C

14. Температура на внутренней поверхности стальной трубы:

t₂= t₁-=298,687°C

15. Температура на внутреннем слое накипи

 t_w2=t₂  - = 298,687 - =259,052˚С

16. Расчетная температура воды в трубах:

t_f2p=t_w2 - =259,052 - =240,25˚С

17. Погрешность по температуре воды:

   δ_tf2 = =0,104<1%

точность расчета удовлетворительная.