Гидравлический расчет теплоэнергетического агрегата

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ УКРАИНЫ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ВЫСШЕЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ

ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

 

 

 

 

 

 

Кафедра "Промышленная теплоэнергетика"

 

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

 

по  курсу: «Гидрогазодинамика»

 

на тему: "Гидравлический расчет

  теплоэнергетического агрегата"

 

 

 

 

 

 

Выполнила ст. гр. ТЭС - 10 Розруцкий О.Г

Проверил   Константинов Г.Е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Донецк 2011

 

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу по гидрогазодинамике

"Гидравлический  расчет теплоэнергетического агрегата"

 

Студент ___ Розруцкий О.Г. Группа________ТЭС 10_________________

 

Срок выполнения с __________________________по _______________ 2011  г.

 

Дата  защиты__________ 2011_ г.

Вариант №14

 

Руководитель  работы_Константинов Георгий Ефимович______

 

Задание:

1. Выполнить расчет газопровода высокого давления и определить давление газа перед горелкой.
2. Рассчитать истечение природного газа и размеры сопла Лаваля.
3. Рассчитать щелевое сопло горелки для истечения воздуха.
4. Выполнить расчет дымового тракта и определить размеры дымовой трубы.
5. Выполнить выбор дымососа.

 

Исходные  данные:

Расход природного газа (метана) = 0,88 м³/с

Давление  в цеховом газопроводе Р = 630 кПа

Давление  воздуха  = 3,5 кПа

Температура окружающей среды t_в = 20 °С

Температура воздуха перед горелкой t_в = 355 °С

Коэффициент расхода воздуха a = 1,1

 

Теоретический расход воздуха  м³/м³

Теоретический выход продуктов горения  м³/м³

Расход продуктов  горения в параллельном тракте 5,6 м³/с

Плотность продуктов  горения  кг/м³

Суммарное сопротивление  параллельного тракта 964,57 Па

Температура продуктов горения на выходе из печи t_пг = 770 °С

Температура продуктов горения после рекуператора t_р = 230 °С

Коэффициент местного сопротивления рекуператора = 4

Поперечное  сечение печи F = 9,3  м²

Размеры газопровода, м: 3 1; 20; 9; 2; 10; 3;

Размеры дымового тракта, м; 1,63; 4,4; 1,46; 1,46; 1,3; 0,96; 0,96; 1,63; 6,3; 6,7; 6,3; 4,5; 2,64; 3,26; 3,26; 4,26; 2,26; 4,26.

 

Подпись студента___________

 

Подпись руководителя работы      _____________________

 

РЕФЕРАТ

           Курсовая  работа: 44 с., 2 табл.,  8 рис., 3  источника.

 

       Объект исследования - гидрогазодинамическая  система промышленного агрегата.

       Цель работы - освоение методики расчета промтеплоэнергетического объекта.

       Курсовая работа представляет  собой комплексный гидрогазодинамический  расчет промтеплоэнергетического объекта.

       Определено: общее сопротивление газопровода – 189,66 кПа; давление газа перед горелкой – 410,3 кПа;  расход воздуха – 9,82 м³/с;    температура воздуха – 335°С; площадь поперечного сечения щелевого сопла – 0,22 м²; диаметр щели – 0,053 м; скорость истечения при действительных условиях – 96,57 м/с; общее сопротивление расчётного тракта – 964,57 Па; наименование выбранного дымососа – Д-18 2, n=490; расход дымовых газов через дымосос –71066,951  м³/ч.

 

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АГРЕГАТ, ГАЗОПРОВОД, СОПЛО ЛАВАЛЯ, ИСТИЧЕНИЕ ВОЗДУХА, ДЫМОВОЙ ТРАКТ, ДЫМОВАЯ ТРУБА, РЕКУПЕРАТОР, КОНФУЗОР, ДЫМОСОС.

 

СОДЕРЖАНИЕ

Введение…………………………………………………………………………….6

1 Гидравлический  расчет газопровода высокого  давления………………...........7

2 Расчет  истечения природного газа высокого  давления через сопло Лаваля…………………………………………………………………………........16

3 Расчет  истечения воздуха через щелевое  сопло…………………....................26

4 Гидравлический  расчет дымового тракта и тягового средства…………........26

5 Расчет  дымовой трубы……..……………………................................................39

6 Выбор дымососа…………..………………………………………......................40

Выводы……………………………………………………………………………..42

Перечень  ссылок…………………………………………………………………..44

 

ВВЕДЕНИЕ

 

_{Гидрогазодинамика представляет собой  дисциплину, в которой  изучаются условия  равновесия и закономерности движения жидкостей  и газов. Она является одной из трёх фундаментальных  теплотехнических дисциплин (вместе с технической  термодинамикой и  тепломассообменом), на которых основываются теплоэнергетические  курсы. Движение жидкостей  и газов -  неотъемлемая  часть любого теплоэнергетического процесса. К этому  относится транспорт  энергоносителей (топлива) и окислителя (воздуха, кислорода) по трубопроводам, движение воды, смеси  пара и воды в паровых  котлах, работа топливосжигающих устройств, удаление продуктов сгорания через дымоходы и  дымовые трубы, движение теплоносителей в  системах теплоснобножения и вентиляции и  др.}

_{Данная  курсовая работа представляет собой комплексный  гидрогазодинамический  расчёт промышленного  объекта, включающий следующие части: гидравлический расчёт газопровода высокого давления, подводящего  природный газ  цехового газопровода  к объекту; расчёт истечения природного газа через сопло  Лаваля; расчёт истечения  воздуха через  щелевое сопло  топливосжигающего  устройства; расчёт дымового тракта, а  также определение  целесообразности применения  искусственной тяги и подбор дымососа.}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ГАЗОПРОВОДА  ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

 

Давление газа в конце участка  длиной .

Оно определяется по формуле:

                              (1.1)

Если скорость газа написать через расход V

                           (1.2)

               _(1.3)

Введем постоянные значения =101325 Па и = 273,15 К, то

уравнение (1.1) примет вид:

 
,     (1.4)

 

где - давление газа(конечное), Па.

D - диаметр газопровода, м;

- коэффициент трения, предварительно  принимается  = 0,02...0,03; для гидравлически шероховатых труб при развитом турбулентном режиме течения коэффициент трения не зависит от числа Рейнольдса и определяется в зависимости от шероховатости по эмпирической формуле Никурадзе

                              _(1.5)

- абсолютная шероховатость стенки, для стальных сварных труб, в  зависимости от срока службы  и состояния принимается в  пределах 0,1 - 0,5 мм;

 - расход и плотность газа при н.ф.у., м / с, кг/м ;

Т - температура газа, К;

 - абсолютное давление газа в начале участка, Па

Выбор диаметра газопровода основывается на понятии предельного диаметра , т. е такого минимально возможного диаметра, при котором все начальное давление расходуется на преодоление сопротивления и = 0, а также,     = 0. При этих условиях из (1.1) следует, что:

     

(1.6)

 

где L - общая длина газопровода.

Рекомендуемый диаметр газопровода

D = (1,4...1,6)                                                              (1.7)

 

Полученный внутренний диаметр  газопровода следует увеличить  до стандартного из следующего ряда типоразмеров стандартных стальных труб, (наружный диаметр) х (толщина стенки), мм:

38x2,5; 45x2,5; 57x3,0; 76x3,0; 89x4,0; 108x4,0; 133x4,0; 159x4,5; 194x5,0;

219x6; 273x7; 325x8; 377x9; 426x9; 426x6; 480x7; 530x8; 630x9;

720x10; 820x10; 920x11; 1020x12; 1120x12; 1220x14; 1420x14

                                                                      _(1.8)

                                                               _(1.9)

Местным сопротивлением называется всякое изменение направления или скорости потока. Потери в местных сопротивлениях определяются по формуле:

                                                      (1.10)

где – потери в местных сопротивлениях, Па;

– коэффициент местного сопротивления, зависящий от вида сопротивления;

– расчетная скорость газа при  Н.Ф.У. м/с,

– плотность газа при Н. Ф.У, кг/м ;

        Т, Р– температура и абсолютное  давление газа перед сопротивлением, К, Па.

Гидростатические сопротивления  возникают, если газопровод изменяет положение по высоте, а плотность газа (жидкости) отличается от плотности окружающей среды:

                                                        (1.11)

где - потери гидростатического давления, Па;

, - плотность газа и наружного воздуха, приведенные к действительным условиям;

h – высота , м;

При движении легкого газа вниз или тяжелого вверх  потери имеют знак «+», в противном  случае – «-».Суммарные потери давления рекомендуется увеличить на 10-20 %, после чего окончательно определить значение давления газа перед горелкой, округлив его до 1 кПа.

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1.1 – Схема газопровода, подводящего газ к топливосжигающему  устройству

1- цеховой газопровод; 2 – задвижка; 3 – измерительная диафрагма; 4 –  регулирующая заслонка; 5 – горелка; 6 – сопло Лаваля.

 

 

 

 

 

 

Расчеты:

Находим плотность газа при нормальных физических условиях  по формуле

,

,

Найдём длину газопровода, как  сумму длин всех его частей:

,

 

L=L₁+L₂+L₃+L₄+L₅+L₆+L₇=3+1+20+9+2+10+3=48 м

 

_{Задаёмся атмосферным  давлением, равным 745 мм. рт. ст.}

Принимаем температуру окружающей среды_. t= 20°

                                                          где В-барометрическое давление,т.е. В=745×133=99085(Па)

 

_{Принимаем λ=0,02}

,

 Из ряда типоразмеров стандартных  стальных труб выбираем 76х3,0 мм

 

,

 

Если скорость газа выразить через расход V    

1. Вход в газопровод

          Выберем К_мс для данного вида сопротивления: пусть φ=90°, примем, что К_мс=1,1

=729085 - 3067 = 726018

2) Трение на участке ℓ1

Коэффициент трения λ вычисляем  по формуле Никурадзе:

=726018 – 722916 = 3102

3) Задвижка

= 722916 – 16871 = 706045

4) Трение на участке  ℓ2

= 706045– 704983 = 1062

5) Потери геометрического  напора    (H= ℓ1+ ℓ2)

Р_к = 704983- 136 = 704847

6) Плавный поворот на 90°

Р_к = 704847 – 865 = 703982

 

 

7) Трение на участке  ℓ3

= 703982 - 682368 = 21614

8) Измерительная диафрагма

Р_к = 682368 – 20853 = 661516

9) Трение на участке  ℓ4

=661515-651244= 10272

10) Регулирующая заслонка

Р_к =651244 –56184 = 595060

11)Трение на участке  ℓ5

= 595060 - 592537= 2523

12) Плавный поворот на 90°

Р_к = 592537 – 1029= 591508

13) Трение на участке  ℓ6

= 591508 - 578704 = 12803

14) Потери геометрического  напора  (H= -ℓ6)

="text-align:center">Р_к =578704-(-258)= 578962

 

15) Плавный поворот на 90°

Р_к = 578962- 1053 = 577909

16) Трение на участке ℓ7

= 577909 – 574007 = 3902

Согласно заданию, увеличим суммарные  потери давления на 20%

Окончательное давление газа перед  горелкой будет равно:

Р = 410331 Па или 410,331 кПа

        Рассчитанные потери давления  и определённые коэффициенты  местных сопротивлений разных  участков газопровода занесём  в таблицу 1.1. [1]

Изменение давления газа по длине газопровода представлено на рисунке1.2.

 

 

Рисунок 1.2 – Изменение давления газа по длине всего газопровода

 

 

Таблица 1.1 – Расчет гидравлических сопротивлений газопровода

Вид сопротивления	Длина участка L,м	Коэффициент местного сопротивления  Км.с	Давление Ризб, Па			Потери давления ∆Р, Па
			в начале участка	в конце участка
1. Вход в газопровод	-	1,1	729085	726018		3067
2. Трение на участке L1	3	−	726018	722916		3102
3. Задвижка	-	6	722916	706045		16871
4. Трение на участке L2	1	−	706045	704983		1062
5. Потери геометрического напора	-	−	704983	704847		136
6. Плавный поворот на 90⁰	-	0,3	704847	703982		865
7. Трение на участке L3	20	−	703982	682368		21614
8. Измерительная диафрагма	-	7	682368	661515		20853
9. Трение на участке L4	9	−	661515	651244		10272
10. Регулирующая заслонка	-	18	651244	595060		56184
11. Трение на участке L5	2	−	595060	592537		2523
12. Плавный поворот на 90⁰	-	0,3	592537	591508		1029
13. Трение на участке L6	10	−	591508	578704		12803
14. Потери геометрического напор  (H= L6)	-	−	578704	578962		-258
15. Плавный поворот на 90⁰	-	0,3	578962	577909		1053
16. Трение на участке L7	3	−	577909	574007		3902
ИТОГО, с учетом 10-20% запаса						178340
Конечное давление газа перед горелкой					421660

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 РАСЧЕТ ИСТЕЧЕНИЯ ПРИРОДНОГО  ГАЗА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ЧЕРЕЗ  СОПЛО ЛАВАЛЯ

 

Комбинированное сопло (Лаваля) имеет суживающуюся и расширяющуюся  части (рисунок 2.1).

В первой части достигается критическая  скорость, равной местной скорости звука, во второй – максимальная скорость движения газа. Сопло Лаваля применяется  в том случае, если отношение давлений ( - абсолютное давление перед соплом, Па; - абсолютное давление среды, в которую происходит истечение), меньше критического:

                                                                                      (2.1)

В противном  случае расширяющаяся часть выполняет  роль диффузора, в котором скорость снижается вследствие увеличения площади  сечения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.1 - Выходная часть горелки

В узком сечении сопла Лаваля достигается критическая скорость, м/с:

                                            (2.2)

Максимальная  расчетная скорость, м/с:

                                       (2.3)

Скорость на выходе из сопла Лаваля:

                                              (2.4)

где - коэффициент, учитывающий потери при истечении газа.

При расчете сопла Лаваля используют газодинамические функции, которые  могут быть определены по графикам, или из отношений относительная  скорость:

                                    (2.5)

 

относительное давление:

                                             (2.6)

относительная плотность:

                                             (2.7)

относительный удельный объем: 

                                         (2.8)

относительная температура:

                                  (2.9)

 

 

 

В критическом сечении ( ) газодинамические функции принимают вид:

                                             (2.10)

                                            (2.11)

                                            (2.12)

                                                   (2.13)

                                                   (2.14)

Площади поперечного сечения и  диаметры сопла в узком месте  и на выходе определяют, используя  закон неразрывности (сплошности):

                               (2.15)

                                                    (2.16)

                                                  2.17)

                                                       (2.18)

                                                    (2.19)

                                                   (2.20)

Длина расширяющейся части сопла  находится по углу раскрытия, который  принимают в пределах 7÷11º.

                                                (2.21)

                                                   (2.22)

Перед входом в сопло Лаваля у газа были сл. термодинамические параметры:

Расчеты

Определим относительное давление в критическом сечении сопла  Лаваля, а также абсолютные давления в критическом сечении сопла  и на выходе из него. Изменение давления газа по длине сопла Лаваля отображено на рисунке 2.3.

_{Найдём плотность  газа на входе в  сопло Лаваля, в  его критическом  сечении, а также  на выходе из него. На рисунке 2.5 показано, как изменяется плотность газа в сопле Лаваля. Величина, обратная плотности газа- его удельный объём. Изменение удельного объёма газа по длине сопла Лаваля изображено на рисунке 2.6.}

_{Рассчитаем массовый расход газа в сопле  Лаваля:}

_{Рассчитаем скорости истечения газа на входе, выходе и в критическом сечении сопла Лаваля, а также рассчитаем относительную скорость. На рисунке 2.2 показано , как изменяется скорость газа по длине сопла Лаваля}

    

_{Найдём температуру  газа в критическом  сечении сопла  Лаваля, а также, зная его относительную  скорость, определим  температуру на выходе из него. Изменение  температуры газа по длине сопла  мы можем наблюдать  на рисунке 2.4.}

_{Рассчитаем диаметр  критического сечения  сопла Лаваля:}

 

 

_{Найдём  длину расширяющейся  части сопла Лаваля, приняв угол раскрытия  β равным 10°.}

_{На  рисунках 2.2 – 2.6 приведено  изменение скорости истечения газа, его  давления, температуры, плотности и удельного  объема по длине сопла  Лаваля.}

Рисунок 2.2–  Изменение скорости истечения газа в сопле Лаваля

 

Рисунок 2.3 – Изменение давления газа в  сопле Лаваля

Рисунок 2.4 – Изменение температуры газа в сопле Лаваля

 

Рисунок 2.5 – Изменение плотности  газа в сопле Лаваля

 

Рисунок 2.6 – Изменение удельного  объёма газа в сопле Лаваля

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 РАСЧЕТ ИСТЕЧЕНИЯ ВОЗДУХА  (ГАЗА НИЗКОГО ДАВЛЕНИЯ) ЧЕРЕЗ  ЩЕЛЕВОЕ СОПЛО

 

Если абсолютное давление среды  не более чем на 10% выше атмосферного, то его условно называют низким. Плотность и температуру воздуха  в процессе истечения принимают  неизменными. Скорость истечения (м/с), рассчитывается по формуле:

                                       (3.1)

где =0,85÷0,9 – коэффициент, учитывающий потери при истечении;

- скорость перед соплом, которую  предварительно можно принять  равной 0;

- плотность воздуха, приведенная  к действительным условиям.

Расход воздуха, подаваемого в  горелку и необходимого для сжигания топлива, определяется по формуле:

                                             (3.2)

Площадь поперечного сечения кольцевой  щели для истечения воздуха F определяется из уравнения неразрывности (сплошности):

                                      (3.3)

Диаметр кольцевой щели D рассчитывается с учетом наружного диаметра сопла  Лаваля:

 

                                          (3.4)

 

 

 

 

Расчеты:

Рассчитаем скорость истечения  воздуха через щелевое сопло, предварительно найдя плотность  и прияв φ равным 0,85.

 

_{Зная  коэффициент расхода  воздуха, его теоретический  расход, а также  расход природного газа, определим массовый расход воздуха в  щелевом сопле.}

 

 

_{С учётом наружного  диаметра сопла Лаваля, определим диаметр  кольцевой щели:}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ  ДЫМОВОГО ТРАКТА 

 

Гидравлический расход дымового тракта заключается в определении разрежения, создаваемого в конце тракта дымовыми газами и в соответствии с этим выбор способа вывода продуктов  сжигания в атмосферу. Зная величину разрежения, вычисляют приблизительную  высоту дымовой трубы (первый способ отведения продуктов сгорания) и  если она не соответствует принятым нормам, тогда выбирают дымосос (второй способ) в зависимости от полученного  расхода в конце дымового тракта.

Общее сопротивление дымового тракта рассчитывается как сопротивление  газохода низкого давления и состоит  из потерь давления на трение, в местных  сопротивлениях и потерь геометрического  давления:

                          (4.1)

Потери на трение рассчитывается по формуле:

                       (4.2)

где l=0,04…0,05 для бетонных и кирпичных каналов при турбулентном режиме течения (примем l=0,05);

Р_дин – динамическое давление, Па;

В – барометрическое давление, кПа; В=101325Па;

Р^изб – избыточное давление (разрежение), кПа, в начале участка;

d_г – гидравлический диаметр канала, м,

                                             d_г=4F_расч/П                                                 (4.3)

F_расч – расчетное поперечное сечение канала, м²;

П – периметр сечения, м.

Скорость газа при нормальных условиях на любом участке 

                                                                                                     (4.4)

Рисунок 4.1 – Схема дымового тракта.

          1- теплоэнергетический  объект (печь);  2 – дымовой канал; 3 – рекуператор;