Тепловой расчет подогревателя питательной воды низкого давления (ПНД)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Цель: овладение студентами методами расчета процессов теплоотдачи и теплопередачи в пароводяных теплообменных аппаратах. Знакомство в ходе этих расчётов с влиянием на интенсивность теплоотдачи при конденсации пара, турбулизации режима стекания плёнки конденсата на вертикальных трубах и с влиянием скорости поперечного потока пара, проходящего через пучок горизонтальных труб. В расчётах по всем трём заданиям работы применяются методы последовательных приближений и графоаналитический метод, которые широко применяются в расчётной практике. Закрепление навыков в работе со справочным материалом, в том числе с таблицами теплофизических свойств воды и водяного пара. Выполнение дополнительных заданий позволяет развить представления о влиянии различных факторов на интенсивность процессов теплообмена и о возможных направлениях их интенсификации.

Общие сведения

Назначение регенеративных подогревателей питательной воды низкого давления и подогревателей сетевой воды - использование в качестве греющей среды пара промежуточных отборов турбин для снижения потерь теплоты в конденсаторах и повышение термического КПД тепловых электрических станций и ТЭЦ.

Вертикальные пароводяные теплообменные аппараты

Подогреватели питательной воды низкого давления (ПНД)

На отечественных турбоустановках используются, главным образом, поверхностные подогреватели питательной воды вертикального типа [2, 3, 4]. Один из таких подогревателей, ПН-700-29-7-1 представлен на рис.1. Маркировка подогревателей отражает следующие данные: буквенное обозначение - назначение аппарата (ПН - подогреватель питательной воды низкого давления), первое число - площадь поверхности теплообмена (700 м2), второе и третье числа соответственно - давление воды в трубах и пара в корпусе аппарата, кгс/м2 (29 и 7), четвёртое число - модификация аппарата (1). В качестве греющей среды используется перегретый пар промежуточных отборов турбин. В некоторых случаях, при высокой максимальной температуре пара в подогревателях предусмотрен специальный отсек для охлаждения перегретого пара (ОП). В этом отсеке, площадь поверхности теплообмена которого обычно не превышает 10 - 15% от всей поверхности теплообмена, пар охлаждается до температуры, превышающей температуру насыщения на 10 - 15 °С. Большая часть подогревателей состоит только из одной секции теплообмена - зоны конденсации пара (КП), где происходит охлаждение пара и его полная конденсация на наружной поверхности вертикальных труб, внутри которых движется нагреваемая питательная вода.

Вода (основной конденсат) поступает по патрубку А в водяную камеру 1, которая имеет перегородки для организации многоходового движения воды. Число ходов воды в U-образных трубках 4 ПНД обычно - четыре или шесть. Концы трубок завальцованы в трубной доске 2, которая жёстко прикреплена к корпусу 3 и подвешена на своде водяной камеры с помощью анкерных болтов. Подогретая питательная вода выходит из водяной камеры по патрубку Б, на рис.1 он показан в створе с патрубком А. Пар поступает в подогреватель по патрубку В.

Давление пара в ПНД не должно превышать на ТЭС 0,98 МПа, а на АЭС - 1,57 МПа, а нагреваемого конденсата на ТЭС - 3,14 МПа, а на АЭС - 4,12 МПа [4]. Трубная система 4 набирается из U - образных трубок диаметром 16 и с толщиной стенки 1 мм. Внутри корпуса установлены промежуточные перегородки для организации поперечного многоходового движения пара. На рис.1 показан также патрубок Д для поступления дренажа из других ПНД. В расчётах по данной работе теплообмен при смешивании конденсатов не рассматривается.



Рис 1. Подогреватель низкого давления ПН-700-29-7-1

А, Б - вход и выход нагреваемого конденсата, В - вход греющего пара, 1 - водяная камера, 2 - трубная доска, 3 - корпус, 4 - трубы, 5 - перегородки трубной системы, Д - подвод конденсата других ПВД, Г - отвод конденсата пара.

Тепловой расчет подогревателя питательной воды низкого давления

(1 приближение)

Условие:

Питательная вода при давлении и с расходом и скоростью подаётся в подогреватель низкого давления (ПНД) с температурой и, совершив по латунным трубам (латунь Л68, , диаметр 16x1 мм) ходов, выходит из аппарата с температурой .Греющей средой является перегретый пар с давлением и температурой , который проходит в межтрубном пространстве и конденсируется на наружной поверхности труб.

Задание

Определить площадь поверхности теплообмена подогревателя, количество и длину труб, диаметр корпуса аппарата. Теплопотери с наружной поверхности подогревателя принять равными 1% теплоты, отдаваемой паром.

Дополнительное задание:

Выполнить уточненный расчет с учетом перегрева пара. Определить площади зон охлаждения и конденсации пара.

Исходные данные:

Греющая среда - пар	Нагреваемая среда - питательная вода
0,6	310	3,2	538	2,0	122	153	4

Расчет:

I) Расчет выполняем по методу последовательных приближений

1. Тепловой поток, воспринимаемый водой:

, где

- средняя массовая изобарная теплоёмкость в данном интервале изменения температуры.

в табл. 1, прил. 2 - «Физические свойства воды на линии насыщения».

2. Тепловой поток, отдаваемый паром при конденсации найдём из уравнения теплового баланса:

.

Так как в аппарат поступает перегретый пар, а из аппарата выходит конденсат при температуре насыщения , то тепловой поток, отдаваемый паром при конденсации, может быть определен по уравнению:

, где

- значение энтальпии перегретого пара при

- значение энтальпии конденсата при

3. Определим расход пара:

,

4. Средний температурный напор:

,

где - температура насыщения (находится по давлению пара в табл. 2, прил. 2 - «Физические свойства водяного пара на линии насыщения»).

5. Количество труб в одном ходе воды определяем из уравнения неразрывности потока:

,

где - плотность воды при средней температуре по табл. 1, прил. 2.

Для одного хода :

.

Для четырех ходов :

.

6. Принимаем коэффициент теплопередачи

Площадь поверхности теплообмена:

.

7. Длина труб:

.

Графо-аналитический метод расчета

(2 приближение)

Применение этого метода обусловлено тем, что температура наружной поверхности неизвестна, что затрудняет определение плотности теплового потока.

1. Плотность теплового потока можно определить по формуле:

,

где , , - константы.

Характеристики конденсата , , , найдём по табл. 1, прил. 2 физических свойств воды при температуре насыщения:

(В данной курсовой работе , , взяты при средней температуре воды )

- плотность конденсата

- теплопроводность

- кинематическая вязкость

Характеристики пара , найдём по табл. 2, прил. 2 физических свойств водяного пара на линии насыщения

- плотность водяного пара

теплота парообразования при ,

2. Принимаем . Находим константы , , и определяем значения ,,:

3. Определим коэффициент теплоотдачи:

Находим число Рейнольдса:

устойчивый турбулентный режим

Т. к. , то для расчётов используем уравнение теплоотдачи Михеева И. М. Берём поправку Михеева И. М. равной единице, так как температуры воды и стенки близки:

Подставим найденные значения в уравнение коэффициента теплоотдачи:

.

.



4. Задаемся плотностью потока с шагом 10 и получаем ряд значений частных температурных напоров ,, и суммарный температурный напор в соответствии с уравнением . Полученные данные заносим в таблицу, после чего строим график зависимости . Проектируем на кривую зависимости и получаем искомое значение плотности теплового потока.

Таблица 1

Зависимость температурных напоров от плотности теплового потока:

	30	40	50	60	70	80	90	100
	4,9572	7,2749	9,7958	12,4915	15,3418	18,3315	21,4488	24,6838
	0,3052	0,4070	0,5087	0,6104	0,7122	0,8139	0,9156	1,0174
	2,2627	3,0169	3,7711	4,5254	5,2796	6,0338	6,7880	7,5423
	7,5251	10,6988	14,0756	17,6273	21,3336	25,1792	29,1524	33,2435



Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Зависимость температурных напоров от плотности теплового потока

При среднем температурном напоре ,

5. Определим значения частных температурных напоров:

;

;

6. Найдём суммарный температурный напор:

7. Определим температуру поверхностей труб:

;

8. Рассчитываем коэффициент теплоотдачи:

9. Определяем коэффициент теплопередачи:

10. Площадь поверхности теплообмена:

11. Длина труб:

3 приближение

При значительной разности температур () и высоте труб происходит турбулизация стекания пленки. Переход от ламинарного к турбулентному режиму стекания пленки определяют по величине приведенной длины Z:

Характеристики конденсата , , найдём по табл. 1, прил. 2 физических свойств воды при средней температуре конденсата:

- теплопроводность,

- кинематическая вязкость,

- динамическая вязкость

Теплоту парообразования найдём по табл. 2, прил. 2 физических свойств водяного пара на линии насыщения при

1. Расчёт приведенной длины Z:

подогреватель регенеративный турбина конденсатор

2. При Z>2300 на высоте от верхней кромки стекающей пленки происходит переход от ламинарному к турбулентному течения пленки. При комбинированном течении пленки конденсата средней по длине трубы , коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

,

и - значения числа Прандтля для конденсата при температурах и

, определены по табл. 1 прил. 2.



3. В поверхностных пароводяных теплообменных аппаратах ТЭС водяной пар подается в межтрубное пространство. Интенсивность теплоотдачи при конденсации на наружной поверхности труб при этом ниже, чем интенсивность теплоотдачи от внутренней поверхности труб к нагреваемой воде (б1<б2). Поэтому тепловой поток принято относить к наружной поверхности труб и коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

4. Площадь поверхности теплообмена:

.

5. Длина труб:

6. Найдем расхождение результатов второго и третьего приближений по длине труб:

,

Погрешность составила больше 5 %, следовательно, расчет продолжаем в следующих приближениях.

4 приближение

1. Расчёт приведенной длины Z:

Характеристики конденсата , , найдём по табл. 1, прил. 2 физических свойств воды при средней температуре конденсата:

- теплопроводность

- кинематическая вязкость,

- динамическая вязкость

при

1. Расчёт приведенной длины Z:

Заменим разность на отношение :

2. При Z>2300 коэффициент теплоотдачи определяется по формуле:

и - значения числа Прандтля для конденсата при температурах и

, определены по табл. 1 прил. 2.

3. В поверхностных пароводяных теплообменных аппаратах ТЭС водяной пар подается в межтрубное пространство. Интенсивность теплоотдачи при конденсации на наружной поверхности труб при этом ниже, чем интенсивность теплоотдачи от внутренней поверхности труб к нагреваемой воде (б1<б2). Поэтому тепловой поток принято относить к наружной поверхности труб и коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

4. Площадь поверхности теплообмена:

.

5. Длина труб:

6.Найдем расхождение результатов третьего и четвертого приближений по длине труб:

,

погрешность составила меньше 5 %, следовательно, расчет можно считать законченным.

Конструктивный расчет

Внутренний диаметр кожуха многоходового теплообменника может быть определён по формуле:

,

где - площадь поперечного сечения пучка; может быть определена как сумма площадей поперечных сечений труб и межтрубного пространства по формуле:

,

где - межцентровое расстояние между трубами, которое при развальцовке принимают , ц - коэффициент, учитывающий площади криволинейных треугольников между тремя смежными кругами, можно принять равным 1,017

Следовательно,

Данные теплового расчета ПНД:

,	,	,	,	,	,	,		,	,
71,52	72,24	7113,7393	15152,6934	4421,4613	16,8177	961,7816	7540	2,539	2,3118

Дополнительное задание

Уточненный расчет с учетом перегрева пара

1. Рассчитаем количество труб в одном ряду пучка труб:

округлим до целого 87.

2. Площадь узкого сечения между трубами одного ряда:

3. Определим среднюю температуру перегретого пара:

4. Находим параметры перегретого пара при , :

- удельный объем;

- теплопроводность;

- кинематическая вязкость;

- динамическая вязкость;

число Прандтля;

плотность;

изобарная теплоемкость.

5. Скорость перегретого пара в узком сечении:

6. Режим течения находим с помощью числа Рейнольдса:

смешанный режим

7. Для определения средней теплоотдачи для труб, расположенных в глубинном ряду шахматного пучка используем уравнение (см. Авчухов В. В., Б. Я. Паюсте «Задачник по процессам тепломассобмена», гл. 6, стр. 49):

- межцентровое, поперечное расстояние между трубами;

- межцентровое, продольное расстояние между трубами.

<2

, где

для газов (перегретый пар) не учитывается, следовательно

Тогда, коэффициент теплоотдачи перегретого пара будет равен:

9. Т. к. тепловой поток принято относить к наружной поверхности труб, то коэффициент теплопередачи определяется по формуле:

10. Тепловой поток, отдаваемый перегретым паром в зоне ОП:

, где

- значение энтальпии перегретого пара при

- теплота парообразования при

- расход пара.



11 Температура воды на входе в ОП:

.

12 Среднелогарифмический температурный напор в зоне ОП:

.

13. Площадь поверхности теплообмена в зоне ОП:

14. Длина труб в зоне ОП:

15. Среднелогарифмический температурный напор в зоне КП:

.

16. Определим площадь поверхности теплообмена в зоне КП:

, где

- тепловой поток при конденсации пара;

- коэффициент теплопередачи и средний температурный напор при конденсации пара.

17. Длина труб в зоне КП:

18. Площадь поверхности теплообмена ПНД:

19. Полная длина труб в ПНД:

Данные теплового расчета зон ОП и КП ПНД:

Зона	,	,	,	,	,	,	,	,
ОП	29,1570	28,8654	624,9777	15152,6934	593,2417	64,5805	753,4326	1,9889
КП	60,9744	60,3646	7113,7393	15152,6934	4421,4613	26,5202	514,8018	1,3590

Вывод

В данной курсовой работе, мною был произведен как основной, так и тепловой уточненный расчет с учетом перегрева пара, при котором были определены площади поверхности теплообмена зон ОП и КП.

Существенное различие между ними объясняется тем, что . В случае ОП, при уменьшении коэффициента теплопередачи (за счет уменьшения коэффициента теплоотдачи) и увеличении среднелогарифмического напора, а также малом значении теплового потока воспринимаемого водой, площадь поверхности теплообмена в зоне ОП больше, чем в зоне КП. Так, зона ОП по ГОСТу для ПНД, должна составлять не более 10-15% от полной площади поверхности теплообмена. В нашем случае при заданных параметрах перегретого пара по отношению к полной площади составит . То есть практически большая половина всей поверхности теплообмена аппарата состоит из . На основе полученных данных, можем сказать, что при высоких температурах греющей среды (перегретый пар, на входе в аппарат ), теплообменные аппараты работают неэффективно, т. к. площадь велика. Следовательно, при проектировании подобного оборудования, следует избегать слишком большой площади поверхности теплообмена в зоне ОП.

Список использованной литературы

1. Домрачев Б.П. Тепловой расчёт пароводяных теплообменных аппаратов ТЭС. Методические указания по выполнению курсовой работы. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. - 29 с.

2. Домрачев Б.П., Корнеев В.В. Тепловой конструктивный расчёт подогревателя питательной воды высокого давления. Методические указания по выполнению курсовой работы. - Иркутск; Издательство ИрГТУ, 1997. - 32с.

3. Назмеев Ю.Г., Лавыгин В.М. Теплообменные аппараты тепловых электрических станций. - М.: Энергоатомиздат, 1998г. - 285 с.

4. Авчухов В.В., Паюсте Б.Я. Задачник по процессам тепломассообмена. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 144с.

5. Краснощёков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче - М.: Энергия, 1980. - 288с.

6. Исаченко В.П. и др. Теплопередача - М.: Энергоиздат, 1981. - 416с.

7. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: Справочник. - М.: Издательство МЭИ. 1999. - 168с.

Размещено на Allbest.ru