Расчет пароводяного подогревателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Теория теплообмена - это наука о процессах переноса теплоты.

Теплообмен - учение о самопроизвольном необратимо протекающем процессе распространения теплоты в пространстве. Процессы тепломассообмена сопровождаются химическими реакциями и физическими превращениями (нагревание, охлаждение, кипение, конденсация и др.).

Теплообменными аппаратами называют устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому, а также для осуществления различных технологических процессов: нагревания, охлаждения, кипения, конденсации и др.

По принципу действия различают поверхностные и контактные (смесительные) аппараты. В поверхностных теплообменниках теплота от среды с более высокой температурой передается твердой стенке (насадке), а от нее - более холодной среде. В контактных аппаратах теплообмен осуществляется при непосредственном соприкосновении теплоносителей и, как правило, сопровождается переносом массы.

Поверхность твердой стенки или границы раздела контактирующих сред, через которую осуществляется теплообмен, называется поверхностью теплообмена или поверхностью нагрева, а если теплообмен сопровождается передачей масс, - поверхностью тепломассообмена.

Поверхностные теплообменные аппараты делят на рекуперативные и регенеративные.

В рекуперативных теплообменниках передача теплоты от одного теплоносителя к другому осуществляется через разделяющую их стенку. В регенеративных теплообменниках греющий и нагреваемый теплоносители поочередно омывают одну и ту же сторону поверхности нагрева (насадки). Во время соприкосновения с нагреваемым теплоносителем отдает ему теплоту и охлаждается.

Требования к промышленным теплообменным аппаратам:

- обеспечение наиболее высокого коэффициента теплопередачи при возможно меньшем гидравлическом сопротивлении;

- надежность и герметичность в сочетании с разборностью и доступностью поверхности теплообмена для механической очистки ее от загрязнений;

- технологичность механизированного изготовления широких рядов поверхностей теплообмена для различного диапазона рабочих температур, давлений и т.д.

- компактность и наименьший расход материалов;

- унификация узлов и деталей;

Рис. 1 - Двухходовой кожухотрубный рекуперативный аппарат

По конструкционному оформлению теплообменные аппараты бывают: трубчатые, змеевиковые, оросительные, секционные, ребристые, пластинчатые, спиральные.

По виду теплоносителя теплообменные аппараты бывают: водяные, пароводяные, газо-воздушные, газо-мазутные.

Теплообменные аппараты бывают: прямоточные, противоточные, перекрестные и смешанные в зависимости от движения теплоносителей в них. Лучшие результаты, с точки зрения снижения поверхности нагрева, дает противоточное движение, поэтому во всех теплообменные аппаратах, где это возможно, создают противоток движения.

Теплообменные аппараты бывают одноходовыми и многоходовыми. (Рис.1)

Многоходовые теплообменные аппараты изготавливают для увеличения поверхности теплообмена при меньших габаритах, обеспечивая большую компактность.

1. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ

При средней температуре определим теплофизические характеристики теплоносителя внутри труб, с помощью таблицы «Теплофизические свойства воды на линии насыщения» (прил.7):

где

- температура воды на входе в подогреватель,;

- температура воды на выходе из подогревателя, ;

°С.

Методом интерполяции находим:

С_в - удельная теплоемкость воды, С_в = 4,181 кДж/кг·°С;

х_в - удельный объем, х_в = 1,0133·10^-3 м³/кг;

л_в - коэффициент теплопроводности, л_в = 65,22·10^-2 Вт/м·°С;

Pr_в - число Прандтля, Pr_в = 3.31

,

где

с_в - плотность воды, кг/м³;

х_в - удельный объем, х_в = 1,0133·10^-3 м³/кг;

кг/м³.

При средней температуре определим теплофизические характеристики теплоносителя в межтрубном пространстве, с помощью таблицы «Физические свойства водяного пара на линии насыщения» (прил.8):

,

где

t_г.п. - температура греющего пара, t_г.п. = 167°С;

t_s - температура насыщения, °С;

°C

°С.

Методом интерполяции находим:

С_п - удельная теплоемкость пара, С_п = 2,470 кДж/кг·°С;

с_п - плотность пара, с_п = 3,4 кг/м³;

н_п - коэффициент кинематической вязкости, н_п = 4,340·10^-6 м²/с;

л_п - коэффициент теплопроводности, л_п = 3,03·10^-2 Вт/м·°С;

Pr_п - число Прандтля, Pr_п = 1,18.

С помощью h-S диаграммы определяют состояние пара при заданном его давлении. Пар перегрет, имеет две зоны теплообмена.

Рис. 2 - График изменения температуры теплоносителей в пароводяном подогревателе

Определяем количество теплоты, передаваемое паром воде:

,

где

- объемный расход воды, м³/с;

С_в - удельная теплоемкость воды, С_в = 4,181 кДж/кг·°С;

с_в - плотность воды, с_в = 986,8 кг/м³;

м³/с;

кВт.

Определяем массовый расход пара

где

r - теплота парообразования, r = 2081.01 кДж/кг;

кг/с.

Вычисляем количество теплоты, передаваемой паром воде в первой зоне:

где

- массовый расход пара, = 4,2 кг/с;

С_п - удельная теплоемкость пара, С_п = 2,470 кДж/кг·°С;

кВт.

Определяем количество теплоты, передаваемой паром воде во второй зоне:

,

кВт.

Проверим полученное значение переданной теплоты:

,

кВт.

Выбираем произвольный диаметр трубок и скорость воды в них:

материал: сталь;

скорость воды: м/c;

толщина стенок трубок: м;

внутренний диаметр трубок: = 0,025 м.

Определим режим течения воды в трубах:

,

где

Re_ж - критерий Рейнольдса;

- скорость воды в трубках, = 1 м/с;

- коэффициент кинематической вязкости, = м²/с;

.

Re_ж = 48076 режим течения турбулентный, т.к. Re > 10⁴.

Определим критерий Нуссельта для турбулентного режима течения воды:

,

где

Re_ж - критерий Рейнольдса, Re_ж = 48076

Pr_в - число Прандтля, Pr_в =3.31 ;

е_l - поправочный коэффициент. Если l/d >50, то = 1.

.

Определяем коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки трубки к воде:

,

где

л_в - коэффициент теплопроводности воды, л_в = 65,22·10^-2 Вт/м·°С;

- критерий Нуссельта для воды; = 204,7;

- внутренний диаметр трубок, = 0,025 м;

Вт/м²·°С.

Вычисляем количество трубок:

,

шт.

Вычисляем шаг между трубками:

s = 1,4

s = 1,40,0378 м.

кольцевой зазор между крайними трубками и корпусом аппарата: К = 0,01м.

Выбираем стандартное количество трубок, близкое к полученному значению - ;

= 61 шт.

Определяем (по приложению 17) при 61 шт. Отсюда находим диаметр трубной решётки : диаметр трубной решётки:= 0,302 м.

Определим внутренний диаметр корпуса:

,

м.

Определяем площадь межтрубного пространства для прохода пара:

,

м².

Определяем скорость пара в межтрубном пространстве:

,

где

с_п - плотность пара, с_п =3,4 кг/м³;

- массовый расход пара, =4,2 кг/с;

м/c.

Определяем смоченный периметр:

м.

Вычисляем эквивалентный диаметр:

м.

Определяем режим течения пара в межтрубном пространстве:

,

где

Re_п - критерий Рейнольдса для пара;

н_п - коэффициент кинематической вязкости пара, н_п = 4,340·10^-6 м²/с;

;

Re_п = 179493 режим течения турбулентный.

Определяем величину критерия Нуссельта для пара:

,

где

Pr_п - число Прандтля для пара, Pr_п =1,18.

.

Определяем коэффициент теплоотдачи от пара к трубе:

,

где

л_п - коэффициент теплопроводности пара, л_п =3,03·10^-2 Вт/м·°С;

Вт/м²·°С.

Вычисляем коэффициент теплопередачи в первой зоне:

,

где

толщина стенки трубки, = 0,001 м;

толщина накипи, = 0,0002 м;

- коэффициент теплопроводности накипи, =3,49 Вт/м·°С;

л_ст - коэффициент теплопроводности материала трубки, л_ст = 38 Вт/м·°С;

Вт/м²·°С.

Определяем температуру воды на границе между зонами:

°С.

Определяем температурный напор в первой зоне:

°С.

Вычисляем поверхность теплообмена первой зоны:

м².

Определим величину удельного теплового потока при передаче теплоты от пара к стенке:

где

q₁ - удельный тепловой поток при передаче теплоты от пара к стенке, Вт/м²;

- безразмерный коэффициент;

- предполагаемая высота трубок, = 4 м;

,8

		q1, кВт/м2
10	5,623	64,834
20	9,457	109,042
30	12,818	147.795
40	15,905	183,389
50,5	18,943	218,418
60	21,558	248,570

Задавшись рядом значений и , строим кривую = .

где

q₂ - плотность теплового потока при передаче теплоты через стенку, Вт/м²;

	/м2
5	190
10,5	380
20	760
30	1140
40	1520

Задавшись рядом значений и , строим кривую = .



где

q₃ - величина удельного теплового потока при передаче теплоты через накипь, Вт/м²;

	/м2
10,5	174,5
20	349
30	523,5
40	698

Задавшись рядом значений и , строим кривую .

где

q₄ - удельный тепловой поток при передаче теплоты от накипи к воде, Вт/м²;

	/м2
10	53,402
20	106,80
30,5	160,20
40	213,6

Задавшись рядом значений и , строим кривую =.

Рассчитаем температурный напор во второй зоне.



°C

По построенному графику определяем значение удельного теплового потока.

Рис. 3 - График зависимостей и q_гр ? 280 кВт/м²

Определим коэффициент теплопередачи во второй зоне.

Вт/м²·град.

Определим поверхность теплообмена во второй зоне.

м².

Определим суммарную поверхность теплообмена.

м².

Определим средний диаметр трубок.

м.

Определим длину трубок.

м.

Не рекомендуется устанавливать трубки длинной более 5 м. Следовательно, необходимо уменьшить длину трубок. Для этого выбираем многоходовой подогреватель. Тогда общее число трубок составит:

где m - число ходов теплообменника;

Принимаем целочисленное значение количества ходов теплообменного аппарата m = 2;

Тогда количество общее число трубок составит:

.

Принимаем по приложению 17 стандартное количество трубок

.

Определяем (по приложению 17) при 301 шт. Отсюда находим диаметр трубной решётки :

= 12

Отсюда определяем диаметр трубной решётки

= 0,4536 м.

Определим внутренний диаметр корпуса.

,

м.

Проведем повторный расчет для многоходового теплообменника

Определяем площадь межтрубного пространства для прохода пара:

,

м².

Определяем скорость пара в межтрубном пространстве:

,

где

с_п - плотность пара, с_п = 3,4 кг/м³;

- массовый расход пара, = 4,2 кг/с;

м/c.

Определяем смоченный периметр:

м.

Вычисляем эквивалентный диаметр:

м.

Определяем режим течения пара в межтрубном пространстве:

,

где

Re_п - критерий Рейнольдса для пара;

н_п - коэффициент кинематической вязкости пара, н_п = 4,340·10^-6 м²/с;

;

Re_п = 91078 режим течения турбулентный.

Определяем величину критерия Нуссельта для пара:

,

где

Pr_п - число Прандтля для пара, Pr_п = 1,18

.

Определяем коэффициент теплоотдачи от пара к трубе:

,

где

л_п - коэффициент теплопроводности пара, л_п = 3,03·10^-2 Вт/м·°С;

Вт/м²·°С.

Вычисляем коэффициент теплопередачи в первой зоне:

,

где

толщина стенки трубки, = 0,001 м;

толщина накипи, = 0,0002 м;

- коэффициент теплопроводности накипи, =3,49 Вт/м·°С;

л_ст - коэффициент теплопроводности материала трубки, л_ст = 38 Вт/м·°С;

Вт/м²·°С.

Определяем температуру воды на границе между зонами:

°С.

Определяем температурный напор в первой зоне:

°С.

Вычисляем поверхность теплообмена первой зоны:

м².

Определим суммарную поверхность теплообмена.

м².

Определим средний диаметр трубок.

м.

Определим длину трубок.

м.

2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ

Определим коэффициент сопротивления трения для чистых трубок.

,

Определим потери на трение в каналах при продольном омывании пучка труб теплообменного аппарата.

,

где

- длина трубы, = 4 м;

- эквивалентный диаметр, равный внутреннему диаметру трубок, = 0,025 м;

- плотность воды, = 986,8 кг/м³;

- средняя скорость воды на данном участке, = 1 м/с;

Па.

Определим гидравлические потери давления в местных сопротивлениях.

,

где

- коэффициенты местного сопротивления, = 1,5, = 1, = 2,5.

Па.

Определим полный напор, необходимый для движения жидкости или газа через теплообменник.

,

где

- потери давления, обусловленные ускорением потока, = 0 (для капельных жидкостей ничтожно мало, и потому его не принимают в расчет);

- перепад давления для преодоления гидростатического столба жидкости, = 0 так как данный подогреватель не сообщается с окружающей средой;

KПа.

Определим мощность, необходимую для перемещения воды через подогреватель.

,

где

- объемный расход воды, = 0,029 м³/с;

- коэффициент полезного действия насоса, = 0,85;

кВт.

Определим площадь сечения и диаметр входного и выходного патрубков для воды.

;

м².

;

м.

Определим площадь сечения и диаметр патрубка для входа пара.



где

- массовый расход пара, = 4,2кг/с;

- плотность пара, = 3,4 кг/м³;

- скорость движения пара в патрубке; = 30 м/с;

м².

;

м.

Определим площадь сечения и диаметр патрубка для выхода конденсата.

;

где

- массовый расход конденсата, = = 4,2кг/с;

- плотность конденсата, = = 986,8 кг/м³;

- скорость движения конденсата в патрубке; = 3 м/с;

м².

;

м.

Определим площадь сечения и диаметр патрубка для откачки воздуха.

,

где

- массовый расход воздуха, = = 0,21 кг/с;

- плотность воздуха, = 0,846 кг/м³;

- скорость движения воздуха в патрубке; = 8 м/с;

м².

;

м.

3. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА

В результате проведенных расчетов разработан подогреватель, имеющий следующие характеристики:

1. Расход воды 105 м³/ч

2. Расход греющего пара 4,2 кг/с

3. Температура:

воды на входе 5 С

воды на выходе81 С

пара на входе152 С

4. Размеры подогревателя:

внутренний диаметр корпуса501 (600) мм

толщина стенок корпуса4 мм

высота трубок4160 (4000) мм

5. Число ходов2

6. Число трубок122 (127) шт.

7. Поверхность нагрева 42,9 ( 50) м²

8. Необходимая мощность насоса 0,307 кВт

4. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ

Определим толщину стенки кожуха.

,

где

- внутренний диаметр корпуса, = 0,600 м;

- расчетное давление, = 0,68 МПа;

- допустимое напряжение, = 134,0 МПа;

- коэффициент прочности сварного шва, = 1;

С - прибавка на минусовые допуски проката, коррозию и др., С = 0;

0,001 м.

Определим толщину эллиптического днища.

Исходя из условия технологичности изготовления, принимаем предварительно мм, тогда толщина стенки днища, имеющего отверстие, определяется по выражению:

,

Условия применимости этой формулы:



где

- высота выпуклой части днища, = 0,3 = 0,18 м;

d - наибольший диаметр отверстия в днище;

z - коэффициент, учитывающий ослабление днища из-за отверстия,

z = 1 при ;

м.

теплообменный аппарат пароводяной подогреватель

Рис. 4 - Эскиз эллиптического днища

Произведем расчет трубной решетки.

Расчетное давление при расчете трубной решетки выбирается по большему из трех следующих значений:

,

,

,

где

- давление в межтрубном пространстве, = 0,68 МПа;

- давление в трубном пространстве, = 0,16 МПа;

- пробное давление при гидравлическом испытании в межтрубном пространстве, 0,68 МПа;

- пробное давление при гидравлическом испытании в трубах;

= 0,16 МПа;

- отношение жесткости трубок к жесткости кожуха;

- расчетный температурный коэффициент;

- модуль упругости системы трубок;

- коэффициент перфорации;

Определим коэффициент, выражающий отношение жесткости трубок к жесткости кожуха.

,

где

- модули упругости материала трубок, = 2,058 • 10¹¹ Па;

- модуль упругости материала кожуха, = 2,058 • 10¹¹ Па;

- площадь сечения материала трубок,

,

м²;

- площадь сечения материала кожуха,

,

м²;

.

Определим расчетный температурный коэффициент.

,

где

- коэффициент температурного удлинения трубок, = 1410^-6 1/град;

- коэффициент температурного удлинения кожуха, = 11,710^-6 1/град;

- температура трубок,

,

°С;

- температура кожуха,

,

°С;

.

Определим модуль упругости системы трубок.

,

где

а - внутренний радиус корпуса,

,

м;

МПа/м.

Определим коэффициент перфорации.

,

.

Определим расчетное давление.

МПа;

МПа;

МПа;

Определим толщину трубной решетки.

,

мм.

Определим толщину трубной решетки из условия прочности на изгиб.

,

где

- диаметр окружности, на которую опирается трубная доска, = = 0,600м;

- коэффициент, зависящий от формы и способа крепления трубной доски, = 0,5;

- коэффициент учитывающий ослабление трубной решетки,

,

где

- наружный диаметр кожуха,

,

м;

- диаметр отверстия под трубку в трубной доске,

,

м;

- наибольшее количество трубок в одном ряду,

,

где

K - кольцевой зазор между крайними трубками и корпусом аппарата, K = 0,01 м;

S - шаг между трубками, S = 0,0378 м;

шт.;

;

м.

Произведем расчет толщины трубной решетки, исходя из условия надежности развальцовки.

,

где

- допустимое напряжение на выравнивание трубок из решетки, q = 40 МПа;

- осевое усилие в наиболее нагруженной трубке,

,

где

- толщина трубки, = 0,001 м;

H;

м.

Определим полное усилие, действующее на все болты фланцевого соединения.

,

где

- сила внутреннего давления среды на площадь;

- сила, необходимая для обеспечения плотности соединения при давлении рабочей среды;

,

где

- сила внутреннего давления среды на площадь, = = 0,68 МПа;

- средняя линия прокладки,

,

м;

Н;

,

где

- расчетное удельное давление на единицу площади прокладки, q = 15130 МПа;

- площадь прокладки,

,

м²;

Н;

Н.

Проверка расчетной нагрузки (МПа):

Н;

Расчетная нагрузка не превышает максимальную и не будет вызывать повреждение прокладки или превосходить ее прочность, так как условие соблюдается.

Определим диаметр болта.

,

где

- полное усилие на все болты, Q = 344303 H;

- средняя линия прокладки, = 0,604 м;

- поправочный коэффициент, = ;

- предел текучести материалов болтов при рабочей температуре, = 245 МПа;

м.

Определим количество болтов во фланцевом соединении.

,

где

- общая длина окружности, на которой расположены центры болтов;

- шаг между болтами,

,

где

- монтажный зазор, K = мм;

м;

шт.

Определим расчетное усилие на болт.

,

Н.

Определим толщину приварного фланца.

,

где

- радиус окружности расположения болтов;

- внутренний радиус корпуса, = м;

- допустимое напряжение на изгиб, = 230 МПа;

= 0,6 - для фланцев подверженных изгибу;

,

м;

м.

5. ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ МЕХАНИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

1. Толщина стенок кожуха и днища 4 мм

2. Параметры трубной решётки:

расчётное давление7.23 МПа

толщина 96 мм

3. Характеристики фланцевого соединения:

количество болтов 20 шт.

расчётное усилие на болт 17,21 кН

диаметр болтов 18 мм

высота фланца 30 мм

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для закрепления теоретических знаний по курсу “Тепломассообмен” была выполнена курсовая работа: ”Расчет пароводяного подогревателя”.

В конструктивном расчете теплообменного аппарата решалось 3 задачи:

1. тепловая

2. гидравлическая

3. механическая

В тепловом расчете были определены:

- физические параметры воды и пара

- средняя логарифмическая разность температур:

для первой зоны Д = 80,5°С,

для второй зоны Д = 106,7°С.

- количество тепла, передаваемое паром воде, для двух зон теплообмена Q = 8895,8 кВт.

- массовый расход пара = 4,2кг/с.

- коэффициент теплоотдачи:

для воды = 5340,2 Вт/•град.,

для пара = 307,2 Вт/•град.

- коэффициент теплопередачи:

для первой зоны = 289 Вт/•град. ,

для второй зоны = 2624 Вт/•град.,

- поверхность нагрева: F = 50 .

- общее количество трубок n = 127

- длина трубок L = 4 м.

В гидравлическом расчете определили:

- полный напор, необходимый для перемещения воды через аппарат, который составил ДP = 10590 Па

- мощность, необходимую для движения воды через подогреватель N = 0,307 кВт

- размеры патрубков:

для воды = 0,029 , = 0,192 м;

для входа пара = 0,04 , = 0,228 м;

для выхода конденсата = 0,0014 ,= 0,042 м;

для откачки воздуха = 0,031 , = 0,199 м.

В механическом расчете, при расчете на прочность были определены:

- расчетное давление = 7,23 МПа

- количество болтов = 20 шт.;

- диаметр болтов = 16мм

- высота фланца h = 30 мм

- расчетное усилие на болт = 17,21 кН

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тепломассообмен. Проектирование поверхностного кожухотрубного теплообменника: учебно-методическое пособие. В.Н. Федяева, А.А. Федяев, С.В. Белокобыльский. Братск 2004 БрГУ.

2. Бакластов А.М., Горбенко В.А., Удыма П.Г. Проектирование, монтаж и эксплуатация тепломассообменных установок. - М.: Энергоиздат 1981.

3. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С.. Теплопередача. - М.: Энергоиздат, 1981.

4. Промышленные тепломассообменные установки и процессы: Учебник для вузов. А.М. Бакластов, В.А. Горбенко, О.Л. Данилов и др.; Под ред. А.М. Бакластова. - М.: Энергоатомиздат, 1986.

Размещено на Allbest.ru