Материал: Теория

Министерство образования и науки российской федерации

Российский государственный университет нефти и газа (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Имени и.М. Губкина

Кафедра «Термодинамики и тепловых двигателей»

Профиль «Эксплуатация и обслуживание объектов транспорта и хранения нефти, газа и продуктов переработки»

Оценка «К защите»

________________ Руководитель проекта

_____________________________

«____»____________2020г. «____»_____________2020 г.

КУРСОВАЯ РАБОТА

ПО КУРСУ: ТЕРМОДИНАМИКА

на тему________________________________________________________

_______________________________________________________________

_______________________________________________________________

Члены комиссии:

________________________

________________________

_______________________

Дата защиты:

Москва 2020 г.

ЗАДАНИЕ.

ОГЛАВЛЕНИЕ:

ВВЕДЕНИЕ

ТЕОР

Рас

Вывод

Прилож

литер

ВВЕДЕНИЕ

Целью выполнения данной курсовой работы является закрепление знаний, полученных при изучении теоретического материала, выработка навыков практического применения этих знаний при решении инженерных задач.

В современной промышленности нет области, где не проводятся термодинамические расчеты процессов, устройств и механизмов. Особое значение термодинамика имеет для нефтяной и газовой промышленности, так как все ее процессы, начиная от бурения разведочных скважин и кончая транспортировкой готовой продукции потребителю, связаны с контролем и регулирование температурного баланса углеводородов. Во время перемещения и хранения жидкостных и газовых углеводородов, эта задача выходит на один из приоритетных ролей.

В развитии термодинамики в XIX веке ученые выделяют три периода, каждый из которых имел свои отличительные свойства:

- Первый период. Этот этап в становлении термодинамики 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.

- Второй период приблизительно продолжился до середины XIX столетия и выделяется научными трудами выдающихся физиков Европы таких, как англичанин Дж. Джоуль, немецкий исследователь Готлиб, известный под псевдонимом Р. Клаузиус и У. Томсон. Этих же идей и теорий в конце XVIII веке придерживался русский исследователь М.В. Ломоносов.

- Третье поколение термодинамики открывает известный 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 главнейших направлений научной деятельности Николая Иовича - его 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.

При кафедре термодинамики и тепловых двигателей в течение долгого времени работал научный семинар , руководимый Николаем Иовичем, на котором обсуждались проблемы развитий термодинамики, теплопередачи, прикладной теплоэнергетики. Вокруг Николая Иовича объединились в мощный научный потенциал профессора, преподаватели, аспиранты вузов, специалисты нефтяной, газовой, нефтеперерабатывающей промышленности и железнодорожного транспорта, образовав научную школу. В общении происходил обмен информацией, апробация полученных решений. Коллектив кафедры термодинамики и тепловых двигателей под руководством Николая Иовича по заданию промышленности успешно решал прикладные задачи энергетики транспорта газа, теплового режима хранения нефтепродуктов, рационализации теплосилового хозяйства нефтезаводов, повышения нефтеотдачи пластов и многие другие.

Тема курсовой работы по термодинамике является, “ Термодинамический расчет теплообменного аппарата “труба в трубе””. Таким образом работа имеет практическое применение в термодинамических расчетах сооружения и дальнейшей эксплуатации нефтегазового трубопровода и теплообменного комплекса.

Теоретическая часть.

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. По принципу действия теплообменные аппараты делятся на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах передача тепла от одного теплоносителя к другому осуществляется с участием твёрдой стенки. Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, подразделяются на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах тепло от одного теплоносителя к другому передаётся через разделяющую их стенку. Примером таких аппаратов являются паровые котлы, подогреватели, конденсаторы, приборы центрального отопления и т.п. В регенеративных аппаратах теплоносители попеременно соприкасаются с одной и той же поверхностью нагрева, которая сначала нагревается, аккумулируя тепло горячего теплоносителя, а затем охлаждается, отдавая тепло холодному теплоносителю. К таким аппаратом относятся регенераторы мартеновских и сталеплавильных печей, воздухоподогреватели доменных печей. В смесительных теплообменных аппаратах теплообмен осуществляется путём непосредственного контакта и смешения жидких и газообразных теплоносителей. В этом случае передача тепла часто сопровождается массопередачей. Такими аппаратами являются башенные охладители (градирни), скрубберы и др. В теплообменных аппаратах движение теплоносителей осуществляется по трём основным схемам. Если направление горячего и холодного теплоносителей совпадает, такая схема движения называемая прямоточной. Если направление их движения противоположно – противоточной. В случае, когда направления движения пересекается, схема движения называется поперечным током. Наиболее распространённым типом рекуперативных теплообменных аппаратов являются кожухотрубные теплообменники. Они имеют развитую поверхность нагрева и применяются для нагревания или охлаждения жидкостей и газов. Простейшим теплообменным аппаратом считается теплообменник типа "трубе в трубе": в наружную трубу вставлена труба меньшего диаметра (рис. 1). Внутренние трубы могут быть гладкими или, в зависимости от назначения, иметь продольные рёбра не 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. В настоящем задании предлагается выполнить тепловой расчёт теплообменника типа "труба в трубе", поэтому порядок теплового расчёта рассмотрим применительно к этому типу теплообменников.

Различают два типа теплового расчета ТА – I рода и II рода.

При тепловом расчете I рода (конструктивном) заданы температуры теплоносителей на входе и на выходе ТА, водяные эквиваленты теплоносителей , определяются мощность, поверхность теплообмена и тип ТА.

При тепловом расчете II рода (поверочном) заданы входные температуры теплоносителей водяные эквиваленты теплоносителей и теплопередающей поверхности , тип и геометрические размеры ТА, определяются мощность ТА и конечные температуры .

В основе теплового расчета ТА лежат уравнение теплового баланса для случая безфазовых переходов

, (1)

и основное уравнение теплопередачи

, (2)

где - водяные эквиваленты теплоносителей, ; - удельные теплоемкости теплоносителей, ; - массовые расходы теплоносителей, ; - кпд ТА; - коэффициент теплопередачи, ; - теплопередающая поверхность, ; - средняя логарифмическая разность температур, .

Для двух схем движения теплоносителей – прямоточной ( ) и противоточной ( ). определяется по уравнению Грасгофа.

, (3)

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

Для схемы «прямоток»

; (4)

Для схемы «противоток»

; (5)

Характер изменения температур теплоносителей вдоль теплопередающей поверхности показаны на рис. 1.

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.

Коэффициент теплопередачи для плоской стенки может быть рассчитан

, (6)

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.

Определяющим критерием подобия при вынужденной конвекции является критерий Рейнольдса

, (7)

где - скорость движения теплоносителя; - определяющий линейный размер; - коэффициент кинематической вязкости.

Критерий Рейнольдса определяет режим течения теплоносителя. При движении теплоносителя в трубе режим течения будет развитым турбулентным при , ламинарным при и переходным при . Для расчета коэффициента теплоотдачи в трубе можно воспользоваться следующим уравнением

, (8)

где - число Грасгофа;