Расчет теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Санкт-Петербургский Государственный Морской Технический Университет

Кафедра энергетики

Курсовая работа по теме

«Расчет теплообменного аппарата»

Выполнил:

студентка группы 2530

Фомина А.С.

Проверил:

Проценко Г.В.

Санкт-Петербург

2013

Введение

В данной работе приводятся расчеты, которые необходимы для определения тепловых, газодинамических и геометрических характеристик элементов судового утилизационного котла, предназначенного для подогрева воды, поступающей в котел, за счет продуктов сгорания.

Утилизационный котел представляет собой теплообменник, составленный из труб, согнутых в горизонтальные змеевики, и скомпанованных в пакеты. Схема расположения пакетов выбрана коридорная, так как при таком устройстве лучше обеспечивается ремонт и техническое обслуживание.

1. Исходные данные

1. Мощность двигателя Nе=1000 кВт

2. Удельный расход топлива bе=0,2 кг/кВт·ч

3. Коэффициент избытка воздуха за двигателем б = 2,5

4. Элементарный состав топлива по рабочей массе:

Ср = 85,6%, Нр = 11,9%, Sр = 0,2%, Ор = 0,4%, Nр = 0,4%, Wр = 1%, Ар = 0,5%

5. Температура продуктов сгорания при выходе из двигателя V1=350є

6. Газодинамическое сопротивление УК Дh=33,3 кПа

7. Производительность УК - 3000 КГ/ч

8. Температура перегретого пара tпп=140єС

9. Температура питательной воды tпв=85єС

Рис. 1 Принципиальная схема

(1-масляный насос, 2- питательный насос, 3 - насос системы охлаждения)

2. Расчет параметров потоков продуктов сгорания и пароводяной среды

Теоретически необходимое количество сухого воздуха для сжигания 1 кг топлива:

V0 =0,0889·(Ср+0,375·Sр)+0,267·Нр-0,0333·Ор=0,0889·(85,6+0,375·0,2)+0,267·11,9-0,0333·0,4 = 10,78 мн3/кг

Теоретический объем азота:

=0,79·V0+8·10-3·Nр=0,79·10,78+8·10-3·0,4=8,52 мн3/кг

Объем сухих трехатомных газов СО2 и SО2:

=1,866·10-2(Ср+0,375·Sр)=1,866·10-2(85,6+0,375·0,2)=1,595 мн3/кг

Теоретический объем паров воды:

=0,111·Нр+0,0124·Wр+0,0161·V0=0,111·11,9+0,0124·1+0,0161·10,78=1,51 мн3/кг

Избыточный объем воздуха:

VИ = (б-1)·V0=(2,5-1)·10,78=16,17 мн3/кг

Действительный объем паров воды:

=+0,0161(б-1)·V0=1,51+0,0161(2,5-1)·10,78=1,77 мн3/кг

Объем кислорода:

=0,21(б-1)·V0=0,21(2,5-1)·10,78=3,39 мн3/кг

Действительный объем азота:

=+0,79·V0(б-1)=8,52+0,79·10,78(2,5-1)=21,295 мн3/кг

Объем продуктов сгорания

= 1,595+21,295+1,77+3,39=28,05 мн3/кг

Объемная доля:

- сухих трехатомных газов СО2 и SО2

- паров воды

- азота

- кислорода

Проверка:

0,057+0,063+0,759+0,121=1

Кажущаяся молекулярная масса продуктов сгорания:

44·0,057+28·0,759+18·0,063+32·0,121= =28,77 кг/моль

Плотность продуктов сгорания (при нормальных физических условиях):

кг/ мн3

Расход топлива на двигатель:

кг/с

Объемный расход продуктов сгорания:

28,05·0,056=1,57 мн3/с

Массовый расход продуктов сгорания:

1,28·1,57=2,0096 кг/с

Таблица 1

Энтальпия продуктов сгорания

vє,С	= 1,595 мн3/кг	= 21,295 мн3/кг	= 1,77 мн3/кг	= 3,39 мн3/кг	, МДж/кг
	, кДж мн3·єС	, кДж кг·єС	, кДж мн3·єС	, кДж кг·єС	, кДж мн3·єС	, кДж кг·єС	, кДж мн3·єС	, кДж кг·єС
100	1,7003	2,7183	1,2958	27,5924	1,5052	2,6597	1,3176	4,4742	3,74
200	1,7873	2,8574	1,2996	27,6733	1,5232	2,6915	1,3352	4,5339	7,55
300	1,8627	2,9779	1,3067	27,8245	1,5244	2,6936	1,3561	4,6049	11,43
400	1,9297	3,0850	1,3168	28,0395	1,5664	2,7678	1,3775	4,6776	15,43
500	1,9887	3,1561	1,3276	28,2695	1,5897	2,8089	1,3980	4,7472	19,49

Энтальпия продуктов сгорания определяется по формуле:

, МДж/кг

По данным таблицы 1 строим диаграмму (рис. 2).

I , МДж/кг

v, °С

Рис. 2. Зависимость температуры от энтальпии

3. Расчет теплового баланса УК

сгорание экономайзер тепловой газодинамический

С помощью диаграммы I=f(v) находим значения энтальпий при v=350єС (за дизельгенератором) и при v=120єС (за УПГ). Энтальпия продуктов сгорания:

при выходе из экономайзера I1=13,4 МДж/кг, при входе в экономайзер I2= 4,5 МДж/кг

Тепловой поток, воспринимаемый пароводяной средой:

Q1 = B(I1-I2)

Q2 = G·Ср(t'-t'')

Q3 = k·Дt·Н

Q1 = Q2 = Q3 = Q

Q = 0,056·(13,4-4,5)=0,498 МДж/кг

Отсюда:

Расход воды на УПГ кг/с

Расход воды на ТА кг/с

Коэффициент сохранения тепла ц=0,95-0,98, принимаем 0,96

Коэффициент утилизации теплоты

4. Расчет геометрических характеристик поверхностей нагрева

Принимаем диаметр несущей трубы d1=25 мм (для экономайзера), толщину стенки д1=1,5 мм.

Средняя температура продуктов сгорания

Объемный расход продуктов сгорания

м3/с

Скорость продуктов сгорания выбираем в пределах W=8-10 м/с, принимаем W=9 м/с.

Живое сечение для прохода газов

м2

Теплофизические характеристики продуктов сгорания: число Прандтля Рr=1, коэффициент теплопроводности л=4,372·102 Вт/(м2·єС), кинематическая вязкость х=35,775·10-6 м2/с.

Величины принимаются по средней температуре продуктов сгорания.

При коридорном пучке труб число Рейнольдса должно находится в пределах Rе=1,5·103ч100·103

Коэффициент теплоотдачи:

, где:

Сz - поправка на число рядов трубного пучка, принимаем Сz=1, так как принимаем в начале расчетов zi>10

Сs - поправка, учитывающая компоновку трубного пучка, при условии 1,5<S1/d<3 и S2/d<2,

Сs определяется по следующей формуле для коридорного расположения, при

107 Вт/(м2·єС)

Коэффициент теплопередачи:

 Вт/(м2·єС) , где Е=0,01 (м2·єС)/Вт

Средний температурный напор:

, где:

ДtБ - большая разность температур между обменивающимися теплом средами

ДtБ = vвых-tпп=350-140=210єС;

ДtМ - меньшая разность температур между обменивающимися теплом средами

ДtМ = vвх-tпв=120-85=35єС.

Подставляем значения коэффициента теплопередачи и среднего температурного напора в уравнение теплового потока и получим полную наружную поверхность нагрева.

Q3=К·Дt·Н

0,498·106=51,81·98·Н =>м2

Число труб:

 тр , где:

Fжс=0,324 м2 - живое сечение для прохода газа;

d=25 мм - диаметр несущей трубы

S1=31 мм - шаг в поперечном направлении

Полная наружная поверхность одного ряда:

FТР=р·d·L·n=3,14·0,025·1·50=3,925 м2

Число рядов труб в трубном пучке

рядов

5. Проверка значений газодинамических сопротивлений

Значения проверяются при входе в экономайзер, при проходе через трубный пучок, при выходе из экономайзера.

Таблица 2

Сечение прохода газов	Коэффициент трения о	Коэффициент теплопроводности Вт/м2·°С	LУПГ/Dэ		Сопротивление Дh, Па
Приемная камера	0,5	-	-	51,84	25,92
Трубный пучок (экономайзер)	4,3	-	-	51,84	222,91
Выхлопная камера	1,1	-	-	51,84	57,02
Сопротивление трения УК	-	4,372·10-2	1,89	51,84	4,28
Суммарное сопротивление	-	-	-	-	310,13

Суммарное сопротивление составляет 310,13 Па, что меньше заданного газодинамического сопротивления 33,3 кПа.

6. Расчет тепловой изоляции экономайзера

Тепловой поток через изоляцию:

,

где:

tст1, tст2 - температуры изоляции стенки со стороны экономайзера и со стороны МКО соответственно, tст2=50°С - температура изоляции стенки со стороны экономайзера, tмко=30°С - температура в машинно-котельном отделении;

б1 -коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке при vвых=350°С,

б2 - коэффициент теплоотдачи от стенки изоляции в МКО, б2=8-10 Вт/м2·°С;

л - коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала, в качестве теплоизоляционного материала выбираем минеральную пену с л=0,05 Вт/м2·°С;

д - толщина стенки теплоизоляции.

Вт/м2

Объемный расход продуктов сгорания:

м3/с

Скорость продуктов сгорания:

м/с

Теплофизические характеристики продуктов сгорания при vвых=350°С:

число Прандтля Рr=0,645,

коэффициент теплопроводности л=5,27·10-2 Вт/м2·°С,

кинематическая вязкость х=50,85·10-6 м2/с.

Коэффициент теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке при vвых=350°С:

12,7 Вт/м2·°С,

где:

Отсюда получаем:

°С

; =>м

7. Определение изменения температуры по высоте стенки

Тепловой баланс при максимальной и минимальной температурах:

, где:

vmax=350°C, vmin=120°C - максимальная и минимальная температуры продуктов сгорания соответственно,

°C, °C -максимальная и минимальная температура воды, соответственно,

, -максимальная и минимальная температура трубы, соответственно.

Определение объемного расхода воды на один змеевик.

м3/с

Определение значения скорости среды в трубе:

м/с

Определение коэффициента теплоотдачи при Рr=1,6, х=0,272·10-6м2/с, л=68,5·10-2 Вт/м2·°С:

Определение максимальной температуры стенки:

=>°С

Определение минимальной температуры стенки:

=>°С

8. Расчет долговечности экономайзера

Диффузия паров серной кислоты при Т = 235°С = 508К:

Диффузионный критерий Рr при Т = 235°С = 508К, х=34,6·10-6 м2/с:

Коэффициент массообмена:

Объем оксида серы:

0,007·0,2 =0,0014 м3/кг

Объемная доля оксида серы:



Парциальное давление SO2:

4,99·10-5·10-5=4,99 МПа

Степень превращения SO2 в SO3

%

Парциальное давление SO3

МПа

Поток кислоты:

кг/м2·с

Скорость коррозии от кислоты:

,

где:

ц(ф) - временная функция, определяющая периодичность чистки УПГ. Принимаем периодичность чистки каждые 24 часа, следовательно, временную функцию можно записать в виде: ц(ф)=1,32·ф-0,405

кг/м2·ч

Скорость коррозии со стороны воды: принимаем 0,25 мм/год

кг/м2·ч

Долговечность:

,

где:

Ддкор=1,5 мм - утонение стенки трубы от коррозии со стороны воды и Н2SО4

года

Размещено на Allbest.ru