Оптимизация конструкции парового калорифера - курсовая работа готовая
Приём заказов:
Круглосуточно
Москва
ул. Никольская, д. 10.
Ежедневно 8:00–20:00
Звонок бесплатный

Оптимизация конструкции парового калорифера

Диплом777
Email: info@diplom777.ru
Phone: +7 (800) 707-84-52
Url:
Логотип сайта компании Диплом777
Никольская 10
Москва, RU 109012
Содержание

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

По дисциплине

Оптимизация теплоэнергетических установок

На тему

Оптимизация конструкции парового калорифера

1 КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ПАРОВОГО КАЛОРИФЕРА ИЗ ГЛАДКИХ ТРУБ

Согласно ГОСТ 7201-70 для систем воздушного охлаждения, вентиляции и кондиционирования воздуха и сушильных установок предусмотрена единая номенклатура гладких латунных калориферов. Гладкие латунные одиночные калориферы различаются по виду используемого теплоносителя (паровые и водяные), по присоединительным размерам и степени предполагаемого нагрева воздуха. Рассмотрим паровой калорифер.

Обогреваемые паром калориферы имеют сварную неразъемную конструкцию и состоят из следующих элементов:

– теплообменной поверхности из пучка гладких труб;

– входного распределительного и выходного сборного коллекторов, образованных трубной решеткой и крышкой;

– двух патрубков, отводящего и подводящего теплоноситель;

– двух боковых съемных щитков с передним и задним фланцами для подсоединения теплообменника к смежным секциям или воздуховодам.

Схема калорифера показана на рисунке 1.

1 – трубный пучок; 2 – коллектор; 3 – патрубок; 4 – боковой щиток

Рисунок 1 – Устройство парового калорифера

По движению теплоносителя калориферы выполняются одно- или многоходовыми, для чего под крышками последних устанавливаются перегородки. Рассматриваемый мной калорифер одноходовой, поэтому под крышками перегородки отсутствуют. В паровых калориферах расположение трубок всегда вертикальное. Трубные решетки изготовляются из тонколистовой стали толщиной 3…16 мм, а боковые стенки корпуса из тонколистовой стали толщиной 2 мм.

Трубы в пучке располагаются относительно потока воздуха в шахматном порядке. Шахматная компоновка более компактна, чем коридорная, и отличается от последней повышенными значениями коэффициентов теплоотдачи и аэродинамического сопротивления пучка.

Рассчитанный мной калорифер изготовлен из труб диаметром 25/21 мм. В реальных условиях эксплуатации теплоаэродинамические характеристики калорифера могут изменяться в худшую сторону по следующим причинам:

– плохое качество изготовления;

– погрешность в методике подбора типа, номера и модели калорифера;

– коррозия и загрязнение поверхности теплообмена;

– неравномерность полей скоростей и температур по фронту пучка;

– влияние схемы подключения калориферов по воде.

Рассчитанный паровой калорифер включает в свой состав конденсатоотводчик. Охлаждающий воздух подается в теплообменные секции вентилятора, установленного на оси двигателя. Чаще в данных аппаратах применяются вентиляторы диаметром 0,8; 2,8; 5,0; и 7,0 м с числом лопастей от 3 до 8.

2 СОСТАВЛЕНИЕ АЛГОРИТМА КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЁТА

Расчет парового калорифера из гладких труб в соответствии с исходными данными производим по программе, составленной в среде Microsoft Excel. На рисунке 2 представлен алгоритм программы.

Рисунок 2 – Алгоритм программы расчеты калорифера

2.1 Внешние параметры

Температура воздуха на входе – t2, 0C;

Температура воздуха на выходе – t2, 0C;

Давление греющего водяного пара – Р1, МПа;

Расход воздуха – V2, м3/ч;

Наружный диаметр труб – dн, мм;

Толщина стенки труб – ст, мм;

Теплопроводность латуни – л, Вт/(м2К);

Плотность латуни – л, кг/м3;

Годовое число часов использования аппарата – и, ч;

Стоимость электроэнергии – Сэ.э., руб./(кВтч);

Стоимость латунных труб – Сл, руб./кг;

Коэффициент загрязнения поверхности теплообмена – з;

Коэффициент удержания теплоты изоляцией – ;

КПД привода вентилятора- пр.;

КПД электродвигателя – э.д.;

Доля амортизационных отчислений – a;

Доля отчислений на ремонт – b;

Доля отчислений инвесторам за кредиты – c.

2.2 Теплофизические свойства теплоносителей

По следующим зависимостям определяем теплофизические свойства теплоносителей.

Для греющего теплоносителя:

Температура насыщения водяного пара, С:

Плотность пара, кг/м3:

.

Энтальпия греющего насыщенного пара, кДж/(кгК):

.

Энтальпия конденсата пара, кДж/(кгК):

.

Для нагреваемого теплоносителя:

Средняя температура воздуха, 0C:

Плотность воздуха, кг/м3:

Средняя теплоемкость воздуха, кДж/(кгК):

при 50<= < 70 значений Ср =1,005;

при 70<= <= 90 значений Ср =1,009.

Коэффициент кинематической вязкости воздуха, м2/с:

Коэффициент теплопроводности воздуха, Вт/(мК):

Критерий Прандтля воздуха:

.

Плотность воздуха на входе, кг/м3 :

Плотность воздуха на выходе, кг/м3 :

2.3 Недостающие параметры

Тепловая нагрузка теплообменного аппарата, кВт:

Расход греющего теплоносителя, кг/с:

Средний логарифмический температурный напор, С:

2.4 Оптимизируемые параметры

Число рядов по ходу воздуха – z, шт.;

Число труб в одном ряду – n, шт.;

Поперечный шаг – S1, мм;

Диагональный шаг – S’2, мм.

2.5 Тепловой и компоновочный расчет теплообменного аппарата

Задаёмся длиной теплообменной трубки, м:

Ширина пучка, м

Общее число труб в теплообменнике, шт

если z – чётное, то ;

если z – нечётное, то .

Продольный шаг, мм

Внутренний диаметр теплообменной трубки, мм:

Площадь входного сечения трубок, м2

Скорость пара в трубках, м/с

Коэффициент теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя, Вт/(м2•К)

Площадь сжатого сечения пучка, м2

Скорость движения нагреваемого теплоносителя в трубках, м/с

Число Рейнольдса для нагреваемого теплоносителя

Поправка на число рядов

Поправка на компоновку

если , то ;

если , то .

Число Нуссельта для нагреваемого теплоносителя при

Принимаем, что

Тогда

Коэффициент теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя, Вт/(м2•К)

Расчетный коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К):

Расчетная поверхность теплообмена, м2:

Активная длина труб, м:

2.6 Гидравлический расчет теплообменного аппарата

Коэффициент формы

Число Эйлера при поперечном обтекании гладкотрубных пучков

если ,

если ,

Потери давления при прокачке нагреваемого теплоносителя, Па:

Скорость потока на входе, м/с:

Скорость потока на выходе, м/с

Потери давления на ускорение или торможение потока, Па

Потери давления на прокачку нагреваемого теплоносителя, Па

2.7 Технико-экономический расчет теплообменного аппарата

Затраты электрической мощности на прокачку нагреваемого теплоносителя, кВ

Масса трубного пучка, кг

Капитальные затраты, тыс. руб.

Годовые эксплуатационные издержки, тыс. руб.

Расчетные годовые затраты, тыс. руб.

калорифер теплоноситель расчет паровой

3 ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ УСТАНОВКИ

Таким образом, в итоге расчета получаем приведенные затраты (З). Целью расчета является получение минимальных приведенных затрат в год. Для этого используем функцию Microsoft Excel “Поиск решения”, целевой ячейкой являются приведенные затраты (З), изменяемыми ячейками являются: число труб в одном ряду (n), число рядов по ходу воздуха (z), поперечный шаг (S1), диагональный шаг (S’2). Накладываемые ограничения:

1. n – целое и n – больше или равно 2;

2. z – целое и z – больше или равно 1;

3. Re2 =103…2*105;

4. S1– целое;

5. S’2- целое;

6. ;

7. ;

8. .

Результаты расчета парового калорифера по программе, согласно исходным данным, приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Результаты расчета программы, составленной в MS Excel

Внешние параметры

№ п/п

Параметр

Обозначение

Размерность

Величина

1

Давление греющего теплоносителя

P’1

МПа

0,2

2

Температура нагреваемого теплоносителя на входе

t’2

0С

65

3

Температура нагреваемого теплоносителя на выходе

t”2

0С

80

4

Давление нагреваемого теплоносителя

P’2

МПа

0,1

5

Расход нагреваемого теплоносителя

V2

м3

160000

6

Наружный диаметр труб

dн

мм

25

7

Толщина стенки труб

?ст

мм

2

8

Теплопроводность латуни

?л

Вт/(м•К)

104

9

Плотность латуни

?л

кг/м3

8550

10

Число часов работы ТА

?и

ч/год

8000

11

Стоимость электроэнергии

Сэ.э.

руб/кВт*ч

2,5

12

Стоимость латунных труб

Сл

тыс.р/т

100

13

Коэффициент удержания теплоты изоляцией аппарата

?

0,99

14

КПД вентилятора

?в

0,6

15

КПД электродвигателя

?эл

0,95

16

Доля амортизационных отчислений

a

0,1

17

Доля отчислений на ремонт

b

0,2

18

Доля отчислений инвесторам за кредиты

c

0,05

19

Коэффициент учитывающий загрязнения

?з

0,9

20

Расчет теплофизических свойств

21

Параметр

Обозначение

Размерность

Величина

22

Средняя температура нагреваемого теплоносителя

t2ср

oC

72,5

23

Плотность греющего теплоносителя

?1

кг/м3

1,120

24

Плотность нагреваемого теплоносителя

?2

кг/м3

1,025

25

Коэффициент теплопроводности нагреваемого теплоносителя

?2

Вт/(м•оС)

0,0299

26

Теплоемкость нагреваемого теплоносителя

СР2

кДж/(кг•оС)

1,009

27

Коэффициент кинематической вязкости нагреваемого теплоносителя

?2

м2

2,03E-05

28

Число Прандтля при средней температуре нагреваемого теплоносителя

Pr2

0,694

29

Температура греющего теплоносителя на входе, выходе

t’1=t”1=tн

0С

119,97

30

Энтальпия греющего насыщенного пара

h1п

кДж/кг

2706,15

31

Энтальпия конденсата пара в состоянии насыщения

h

кДж/кг

503,7

32

Плотность нагреваемого теплоносителя на входе

?

кг/м3

1,047

33

Плотность нагреваемого теплоносителя на выходе

?

кг/м3

1,002

34

Расчет недостающих параметров

35

Параметр

Обозначение

Размерность

Величина

36

Тепловая нагрузка

Q

кВт

689,28

37

Расход греющего теплоносителя

G1

кг/с

0,316

38

Оптимизируемые параметры

39

Параметр

Обозначение

Размерность

Величина

40

Поперечный шаг

S1

мм

41

41

Диагональный шаг

S’2

мм

29

42

Число рядов по ходу воздуха

z

шт

5

43

Число труб в одном ряду

n

шт

112

44

Тепловой и конструктивный расчет

Применяется коридорная компановка к данному теплообменному аппарату

45

Параметр

Обозначение

Размерность

Величина

46

Длина теплообменной трубки

lа

м

4,721

47

Ширина пучка

B

м

4,592

48

Общее число труб в теплообменнике

m

шт

558

49

Продольный шаг

S2

мм

20,51

50

Внутренний диаметр теплообменной трубки

dвн

мм

21

51

Площадь входного сечения трубок

f1

м2

0,193

52

Скорость пара в трубках

w1

м/с

1,46

53

Коэффициент теплоотдачи по пару

?1

Вт/(м2•К)

2620

54

Скорость движения нагреваемого теплоносителя в сжатом сечении пучка

w2сж

м/с

5,25

55

Площадь сжатого сечения пучка

f2

м2

8,460

56

Число Рейнольдса для нагреваемого теплоносителя

Re2

6474,19

57

Поправка на число рядов

?i

0,860

58

Поправка на компоновку

?s

1,12

59

Число Нуссельта для нагреваемого теплоносителя

Nu2

68

60

Коэффициент теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя

?2

Вт/(м2•К)

81

61

Коэффициент теплопередачи

k

Вт/(м2•К)

79

62

Расчетный коэффициент теплопередачи

kр

Вт/(м2•К)

71

63

Среднелогарифмический температурный напор

?tл

oC

47,1

64

Расчетная поверхность теплообмена

Fр

м2

206,791

65

Уточненная длина труб

lа

м

4,721

66

Гидравлический расчет теплообменного аппарата

67

Параметр

Обозначение

Размерность

Величина

68

Коэффициент формы

?

0,216

69

Число Эйлера при поперечном обтекании гладкотрубных пучков

Eu2

0,936

70

Потеря напора в пучке труб

пуч2

Па

26,48

71

Скорость потока на входе

w’

м/с

5,14

72

Скорость потока на выходе

w”

м/с

5,37

73

Потери давления на ускорение или торможение потока

у2

Па

1,24

74

Потери давления при прокачке нагреваемого теплоносителя

2

Па

27,7

75

Технико-экономический расчет теплообменного аппарата

76

Параметр

Обозначение

Размерность

Величина

77

Затраты электрической мощности на прокачку нагреваемого теплоносителя

Nэ

кВт

2,16

78

Масса теплообменной поверхности

М

кг

3253,2

79

Капитальные затраты

К

тыс.руб.

325,323

80

Годовые эксплуатационные издержки

И

тыс.руб.

43,238

81

Приведенные годовые затраты

З

тыс.руб.

157,101

По результатам расчета получили, что минимальные приведенные затраты в год З = 157,101 тыс. руб., при изменяемых геометрических параметрах

n=112 шт., S1=41 мм, S’2=29 мм, z = 5 шт

4 ПРОВЕРКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЛУЧЕННОГО РЕШЕНИЯ

Проведем проверку устойчивости полученного решения оптимизационной задачи для каждого из оптимизируемых параметров. Результаты расчетов приведены в табл. 2, 3, 4 и 5, на рис. 3, 4, 5 и 6.

Таблица 2 – Проверка устойчивости решения при изменении поперечного шага труб

S1

мм

38

41

44

Re2

10108,695

6474,192

4244,836

1,14

0,97

0,81

З

тыс.руб.

184,551

157,101

166,806

Рисунок 3 – Проверка устойчивости решения при изменении поперечного шага труб

На основании табл. 2 и рис. 3 видно, что при изменении поперечного шага труб в большую и меньшую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат. Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при S1 = 41 мм наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Таблица 3 – Проверка устойчивости решения при изменении диагонального шага

S’2

мм

27

29

31

Re2

6442,119

6474,192

6161,109

0,97

0,97

0,93

З

тыс.руб.

157,292

157,101

159,273

Рисунок 4 – Проверка устойчивости решения при изменении диагонального шага

На основании табл. 3 и рис. 4 видно, что при изменении диагонального шага в большую и меньшую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат. Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при S’2 = 29 мм наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Таблица 4 – Проверка устойчивости решения при изменении числа рядов по ходу воздуха

z

шт.

3

5

7

Re2

1404,198

6474,192

16320,520

0,21

0,97

2,45

З

тыс.руб.

317,163

157,101

353,253

Рисунок 5 – Проверка устойчивости решения при изменении числа рядов по ходу воздуха

На основании табл. 4 и рис. 5 видно, что при изменении числа рядов по ходу воздуха в большую и меньшую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит увеличение расчетных годовых затрат. При этом, уменьшение числа рядов по ходу воздуха до z = 3 и увеличение до z = 7 приводит к нарушению ограничения, накладываемого на конструктивность . Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при z = 5 шт. наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

Таблица 5 – Проверка устойчивости решения при изменении числа труб в одном ряду

n

шт.

89

112

135

Re2

6427,350

6474,192

6509,544

0,61

0,97

1,42

З

тыс.руб.

157,276

157,101

156,969

Рисунок 6 – Проверка устойчивости решения при изменении числа труб в одном ряду

На основании табл. 5 и рис. 6 видно, что при изменении числа труб в одном ряду в большую сторону, относительно величины, полученной в результате решения оптимизационной задачи, происходит уменьшение расчетных годовых затрат. Увеличение и уменьшение числа труб в одном ряду до n = 89 и n = 135 приводит к нарушению ограничения, накладываемого на конструктивность аппарата – . Таким образом, можно сделать окончательный вывод, что при n = 112 шт. наблюдается минимальная величина расчетных годовых затрат.

5 ПРИМЕР КОНСТРУКТИВНОГО РАСЧЁТА

5.1 Теплофизические свойства теплоносителей

Средняя температура воздуха, 0C

0C

При помощи таблицы 9 [2] по средней температуре нагреваемого теплоносителя определяются его теплофизические свойства

Средняя теплоемкость воздуха – Ср2=1,009 кДж/(кгК);

Плотность воздуха – 2=1,022 кг/м3;

Коэффициент кинематической вязкости воздуха – 2=20,29*10-6 м2/с;

Коэффициент теплопроводности воздуха – 2=0,0298 Вт/(мК);

Критерий Прандтля воздуха – Pr2=0,695;

Плотность воздуха на входе – ?’=1,045 кг/м3;

Плотность воздуха на выходе – ?”=1 кг/м3;

При помощи таблицы 12 [2] по давлению насыщения пара определяются его теплофизические свойства:

Температура насыщения водяного пара – tн1=120,23С;

Энтальпия греющего насыщенного пара – hп1 =2706,5 кДж/(кгК);

Плотность пара – 1=1,13 кг/м3;

Энтальпия конденсата пара – hк1 =503,7 кДж/(кгК).

5.2 Недостающие параметры

Тепловая нагрузка теплообменного аппарата, кВт:

кВт

Расход греющего теплоносителя, кг/с

кг/с

Средний температурный напор, С

С

5.3 Тепловой и компоновочный расчет теплообменного аппарата

Принимаем наружный диаметр трубок dн=25 мм, задаем толщину стенки труб =2 мм, поперечный шаг S1=41 мм, диагональный шаг S’2=29 мм, число труб в одном ряду n=112, число рядов по ходу воздуха z=5.

Задаёмся длиной теплообменной трубки, м

Ширина пучка, м

м

Общее число труб в теплообменнике, шт

т.к. z – нечётное, то

шт

Продольный шаг, мм

мм

Внутренний диаметр теплообменной трубки, мм

;

мм

Площадь входного сечения трубок, м2

м2

Скорость пара в трубках, м/с

м/с

Коэффициент теплоотдачи со стороны греющего теплоносителя, Вт/(м2•К)

Вт/(м2•К)

Площадь сжатого сечения пучка, м2

м2

Скорость движения нагреваемого теплоносителя в трубках, м/с

м/с

Число Рейнольдса для нагреваемого теплоносителя

Поправка на число рядов

Поправка на компоновку

т.к. , то

Число Нуссельта для нагреваемого теплоносителя при

Принимаем, что

Тогда

Коэффициент теплоотдачи со стороны нагреваемого теплоносителя, Вт/(м2•К)

Вт/(м2•К)

Расчетный коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К)

Вт/(м2К)

Расчетная поверхность теплообмена, м2

м2

Активная длина труб, м

м

5.4 Гидравлический расчет теплообменного аппарата

Коэффициент формы

Число Эйлера при поперечном обтекании гладкотрубных пучков

т.к. , то

Потери давления при прокачке нагреваемого теплоносителя, Па

Па

Скорость потока на входе, м/с

м/с

Скорость потока на выходе, м/с

м/с

Потери давления на ускорение или торможение потока, Па

Па

Потери давления на прокачку нагреваемого теплоносителя, Па

Па

5.5 Технико-экономический расчет теплообменного аппарата

Затраты электрической мощности на прокачку нагреваемого теплоносителя, кВт

кВт

Масса трубного пучка, кг

кг

Капитальные затраты, тыс. руб.

тыс. руб

Годовые эксплуатационные издержки, тыс. руб.

тыс. руб

Расчетные годовые затраты, тыс. руб

тыс. руб

По результатам расчета вручную видно, что полученные значения отличаются меньше чем на 1% от значений, полученных по программе MS Excel. Это связано с тем, что расчеты, проводимые в программе в среде Microsoft Excel, выполняются с достаточно высокой точностью (до 32 значащих цифр). Таким образом, считаем, что расчет по программе и вручную считаются верными.

6 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Рощин С. П. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Оптимизация теплоэнергетического оборудования». АГТУ, 2007 – 25 с. с илл.

2. Краснощеков Е. А. и Сукомел А. С. Задачник по теплопередаче. Изд. 4-е перераб. и доп. М.,. Энергия, 1980.– 287 с. с илл.

Валерий Авдеев
Валерий Авдеев
Более 12 лет назад окончил КНИТУ факультет пищевых технологий, специальность «Технология продукции и организация общественного питания». По специальности работаю 10 лет, за это время написал 15 научных статей. Являюсь кандидатом наук. В свободное время подрабатываю в компании «Диплом777», занимаясь написанием курсовых и дипломных работ. Люблю помогать студентам и повышать их уровень осведомленности в своем предмете.
Поделиться курсовой работой:
Поделиться в telegram
Поделиться в whatsapp
Поделиться в skype
Поделиться в vk
Поделиться в odnoklassniki
Поделиться в facebook
Поделиться в twitter
Похожие статьи
Раздаточный материал для дипломной работы образец

Когда студент выходит на защиту перед экзаменационной комиссией, ему требуется подготовить все необходимые материалы, которые могут повысить шансы на получение высокого балла. Один из таких

Читать полностью ➜
Задание на дипломную работу образец заполнения

Дипломная — это своеобразная заключительная работа, которая демонстрирует все приобретенные студентом знания во время обучения в определенном вузе. В зависимости от специализации к исследовательским работам

Читать полностью ➜