Курсач / КР / Курсовая

_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ}

РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина

Факультет	Проектирования, сооружения и эксплуатации систем трубопроводного транспорта
Кафедра	Кафедра термодинамики и тепловых двигателей

Оценка комиссии:				Рейтинг:
Подписи членов комиссии:
(подпись)			(фамилия, имя, отчество)
(подпись)			(фамилия, имя, отчество)
(дата)

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

Термодинамика и теплопередача

на тему

Расчет трубопровода типа труба в трубе

«К ЗАЩИТЕ»		ВЫПОЛНИЛ:
		Студент группы	ВН-17-01
			(номер группы)
		Филатов Владислав Александрович
(должность, ученая степень; фамилия, и.о.)		(фамилия, имя, отчество)
(подпись)		(подпись)
(дата)		(дата)

Москва, 20

Содержание

Содержание 3

Введение 4

Теоретическая часть 5

Основы 5

Расчет 7

Расчетная часть 14

Список литературы 15

Введение 3

Теоретическая часть 5

Основы 5

Расчет 7

Расчетная часть 13

Список литературы 15

Введение

Целью выполнения данной курсовой работы является закрепление полученных теоретических знаний, наработка практических навыков применения этих знаний при решении инженерных задач.

На текущий момент практически во всех отраслях проводятся термодинамические расчеты, в том числе для нефтяной и газовой промышленности. Все процессы данной отрасли, начиная с бурения скважин и кончая транспортировкой нефтепродуктов потребителю, связаны с контролем и регулирование температурного баланса углеводородов. Данная задача является приоритетной при их хранения и транспортировки.

Развитие термодинамики пришлось на 19 век, где можно отметить 3 периода:

1-ый период - этап в становления. Он напрямую связан с именем Карно, который в 1824 году в работе "Размышления о движущей и нестабильной силе огня" по существу сформулировал первое и второе термодинамические начала.

2-ой период продолжился до 60-х годов. В то время известны в научных кругах физики Европы, такие как: англичанин Дж. Джоуль, немецкий исследователь Готлиб, известный под псевдонимом Р. Клаузиус и У. Томсон. Этих же идей придерживался русский исследователь М.В. Ломоносов в конце 18 века.

3-ий этап открывает австрийский ученый и член Санкт-Петербургской Академии Наук Людвиг Больцман, которые с помощью многочисленных экспериментов установили взаимосвязь механической и тепловой формы движения, доказав, что в основе теплоты в первую очередь лежит механическое движение молекул и атомов.

Говоря о термодинамике нельзя не упомянуть о выдающемся советском ученом Николае Иовиче Белоконе (1899-1970). Одно из его главнейших направлений научной деятельности - работы по термодинамике. Им пересмотрены методы построения основных принципов термодинамики, дан новый состав постулатов, обоснован новый принцип - второе начало термодинамики. Система внешних балансов классической термодинамики для обратимых процессов дополнена соотношениями термодинамики рабочего тела для реальных процессов, разработаны основные теории предельных состояний вещества и др.

Он работал при кафедре термодинамики и тепловых двигателей в Губкинском университете. Вокруг него зарождался мощный научный потенциал профессоров, преподавателей и аспирантов ВУЗа. Специалисты нефтяной и газовой промышленности вместе с коллективом кафедры термодинамики и тепловых двигателей успешно продолжают решать прикладные задачи энергетического комплекса нашей страны.

Темой курсовой работы по термодинамике является, «Термодинамический расчет теплообменного аппарата «труба в трубе».

Теоретическая часть

Основы

Теплообменным аппаратом называется любое устройство, в котором осуществляется процесс передачи тепла от одной среды (горячего теплоносителя) к другой (холодному теплоносителю). В качестве теплоносителей в теплообменных аппаратах (теплообменниках) используются разнообразные жидкости, газы, пары в широком диапазоне давлений и температур. Теплообменные аппараты классифицирую по следующим признакам:

1. По принципу действия:

   1. Поверхностные (передача тепла от одного теплоносителя к другому осуществляется с участием твёрдой стенки);

      1. Рекуперативные (тепло от одного теплоносителя к другому передаётся через разделяющую их стенку);

• Примеры: паровые котлы, подогреватели, конденсаторы.

1. Регенеративные (теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, тем самым сначала аккумулируя тепло горячего теплоносителя, а затем отдавая тепло холодному теплоносителю).

• Примеры: регенераторы мартеновских и сталеплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей.

1. Смесительные (теплообмен осуществляется путём непосредственного контакта и смешения жидких и газообразных теплоносителей).

• Примеры: башенные охладители (градирни), скрубберы.

1. По движению теплоносителей:

   1. Прямоток (направление горячего и холодного теплоносителей совпадает);

   2. Противоток (направление их движения противоположно);

   3. Поперечный ток (направления движений пересекаются).

Наиболее распространённым типом являются кожухотрубные теплообменники. Они имеют большую поверхность нагрева и применяются для нагревания или охлаждения жидкостей и газов. Тем не менее простейшим теплообменным аппаратом считается теплообменник типа "трубе в трубе": в наружную трубу вставлена труба меньшего диаметра (рисунок 1). Внутренние трубы могут быть гладкими или, в зависимости от назначения, иметь продольные рёбра на внешней стороне. Теплообменники типа "труба в трубе" обычно составляются из нескольких секций и используются преимущественно при невысоких скоростях потоков и высоких температурах и давлениях из-за сравнительно небольших диаметров труб.

Рис. 1. Схемы теплообменников типа: кожухотрубчатый (слева) и труба в трубе (справа).

Расчет

Продолжая искать различия, только теперь в расчетной части, есть два типа теплового расчета ТА:

• 1 рода - конструктивный (заданы температуры теплоносителей на входе и на выходе ТА, водяные эквиваленты теплоносителей , определяются мощность, поверхность теплообмена и тип ТА)

• 2 рода - проверочный (заданы входные температуры теплоносителей водяные эквиваленты теплоносителей и теплопередающей поверхности , тип и геометрические размеры ТА, определяются мощность ТА и конечные температуры ).

Задача данной курсовой работы заключается в получении количества секций ТА. Из исходных данных будет видно, что сначала будет произведен расчет 2-рода, для нахождения температуры выхода холодного теплоносителя, а потом расчет 1 рода для определения количества секций.

Начать расчеты стоит с подготовки исходных данных. d_экв - это пространство между внешним диаметром малой трубы (стенка соприкосновения 2-х теплоносителей) и внутренним диаметром большой трубы (кожуха):

(1)

Далее приступим к тепловому расчету. Первая задача - найти температуру холодного теплоносителя на выходе. Для этого составим уравнение теплового балалнса:

• Количество теплоты, отданное горячей водой, (Вт):

(2)

• Количество теплоты, полученное холодной водой, (Вт):

(3)

Из 3-го уравнения находим 𝛕₂ , ℃.

Характер изменения температур теплоносителей вдоль теплопередающей поверхности показаны на рисунке 2.

Рис. 2. Характер изменения температур теплоносителей вдоль поверхности теплообмена при прямотоке (слева) и противотоке (справа).

В противоточной схеме среднелогарифмическая разность температур оказывается больше, чем в прямоточной. Следовательно, поверхность теплообмена будет меньше и ТА с противоточной схемой движения теплоносителя будет более компактным. Кроме того, при осуществлении противотока можно получить более высокую конечную температуру нагреваемой жидкости, чем при прямотоке, даже выше температуры греющей жидкости на выходе, что в прямоточной схеме невозможно. Таким образом, противоток является более эффективной схемой, чем прямоток.

Скорость теплоносителей в трубе, (м/сек):

(4)

Определяющим критерием подобия при вынужденной конвекции является критерий Рейнольдса:

(5)

где, - скорость движения теплоносителя;

- определяющий линейный размер;

- коэффициент кинематической вязкости.

Критерий Рейнольдса определяет один из 3-х режимов течения теплоносителя:

1. - ламинарным;

2. - переходным;

3. - турбулентным.

Исходя из режима течения выбирается формула для расчета числа Нуссельта:

2. При переходном режиме:

(6)

где, C, y- коэффициент, который зависит от числа Re (см. таблицу 1)

ℇ_t - поправка, учитывающая изменение физических свойств среды в зависимости от температуры (см. уравнение 7);

ℇ_l - поправка, учитывающий влияние на теплоотдачу процесса гидродинамической стабилизации потока на начальном участке теплообмена (см. таблицу 2).

Таблица 1. Значения коэффициентов в уравнении.

Режим течения, Re	Значения коэффициентов
	C	j	y	i
Ламинарный, Re<2300:
а) вязкостное, Gr.Pr < 8.105	1,55.(d/l)0,33	0,33	0,33	0
б) вязкостно-гравитационное, Gr.Pr ≥ 8.105	0,15	0,33	0,43	0,1
Переходный, 2300≤Re≤104 :
Re=2 300	3,6	0	0,43	0
Re=2 500	4,9
Re=3 000	7,5
Re=4 000	12,2
Re=5 000	16,5
Re=6 000	20,0
Re=7 000	24,0
Re=8 000	27,0
Re=9 000	30,0
Re=10 000	33,0
Турбулентный, Re>104	0,021	0,8	0,43	0

Таблица 2.

(7)

где, Pr - число Прандтля. Принимают по справочным данным для текучей среды при температуре теплоносителя;

Pr_c - число Прандтля. Принимают по справочным данным для текучей среды при температуре стенки.

4. При турбулентном режиме:

(8)

Коэффициенты , как говорилось ранее, определяются из таблицы 1.

При вычислении числа Нуссельта теплофизические свойства теплоносителей выбирают при средней температуре потока:

(9)

(10)

Средняя температура на стенке между 2-мя стенками:

(11)

После того, как мы нашли Nu мы можем найти коэффициент теплоотдачи (Вт/(м²*К)):

(12)

Далее расчитываем коэффициент теплопередачи для плоской стенки:

(13)

где, - коэффициенты теплоотдачи от «горячего» теплоносителя к внутренней поверхности трубы и от внешней поверхности трубы к «холодному» теплоносителю соответственно;

- термическое сопротивление теплопроводности стенки трубы с учетом загрязнений где,

𝛿 - толщина стенки трубки, м;

𝜆 - теплопроводность материала теплообменника, Вт/(м*К).

Выбираем подходящий вариант по заданию. Для двух схем движения теплоносителей – прямоточной (↑↑) и противоточной (↑↓), :

(14)

где , - разности температур между «горячим» и «холодным» теплоносителями на входе и выходе ТА.

Для схемы «прямоток»:

(15)

Для схемы «противоток»

(16)

Рис. 3. Схема изменения температуры теплоносителей по ходу прохождения через теплообменник

Опр еделяем площадь теплообмена, м²:

(17)

Находим число секций, шт:

(18)

После нахождения количества секций округляем в большую сторону до целых чисел.

Таблица 3. Исходные данные (горячего ТН)
Наименование		Ед изм	Значения
Движение потоков			противоток
Длинна одной секции	l	м	1,75
Материал ТО			Сталь нержавеющая
Теплопроводность Стали 10 при tср		Вт/(м*К)	45
Внутр труба	d1	м	0.03
Внутр труба	D1	м	0.04
Горячий ТН			МС-20
Расход ГТН	Gг	кг/с	6
Температура вх ГТН	tг1	℃	95
Температура вых ГТН	tг2	℃	75

Таблица 4. Исходные данные (холодного ТН)
Наименование		Ед изм	Значения	Ур-я
Внеш труба	d2	м	0.05
Эквивалентный диаметр	dэ	м	0,013
Холодный ТН			Вода
Расход ХТН	Gх	кг/с	8
Температура вх ХТН	tх1	℃	3

Таблица 5. Справочные данные (горячего ТН)
Наименование		Ед изм	Значения	80	90
Теплоемкость при 85	Срг	кДж/(кг*К)	** Expression is faulty **	2,227	2,261
Плотнось	𝜌г	кг/м3	** Expression is faulty **	858,3	852,7
Кинемат вязкость	𝜈г	м2/сек	** Expression is faulty **	0	0
Теплопроводность	𝜆г	Вт/(м*К)	** Expression is faulty **	0.13	0.13
Критерий Прандтля	Prг	б/р	** Expression is faulty **	588	420

Таблица 6. Справочные данные (холодного ТН)
Наименование		Ед изм	Значения	0	10
Теплоемкость при 7	Срх	кДж/(кг*К)	4,1973	4,212	4,191
Плотнось	𝜌х	кг/м3	999,76	999,9	999,7
Кинемат вязкость	𝜈х	м2/сек	0,0000014509	0	0
Теплопроводность	𝜆х	Вт/(м*К)	0,5725	0.57	0.57
Критерий Прандтля	Prх	б/р	10,714	13,5	9,52

Расчетная часть