Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Иркутский национальный исследовательский технический университет

Кафедра теплоэнергетики

Расчетно-графическая работа

по дисциплине «Тепломассообменное оборудование ТЭС и промпредприятий»

на тему: «Тепловой поверочный расчет кожухотрубного и пластинчатого теплообменников»

Вариант 15

Выполнил: студент гр. ПТЭб-12-1

Распутин В.В.

Проверил: доцент кафедры ТЭ Картавская В. М.

Иркутск 2015г.



СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. Расчет тепловой нагрузки теплообменного аппарата

2. Расчет и выбор кожухотрубных теплообменников

3. Графо-аналитический метод определения коэффициента теплопередачи и поверхности нагрева

4. Расчет и выбор пластинчатого теплообменника

5. Сравнительный анализ теплообменных аппаратов

6. Гидравлический расчет кожухотрубных теплообменников, трубопроводов воды и конденсата, выбор насосов и конденсатоотводчика

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

В работе приводится расчет и выбор двух видов теплообменников кожухотрубного и пластинчатого.

Кожухотрубные теплообменники представляют собой аппараты, выполненные из пучков труб, собранных при помощи трубных решеток, и ограниченные кожухами и крышками со штуцерами. Трубное и межтрубное пространства в аппарате разобщены, а каждое из этих пространств может быть разделено при помощи перегородок на несколько ходов. Перегородки устанавливаются с целью увеличения скорости, а, следовательно, и интенсивности теплообмена.

Теплообменники этого типа предназначаются для теплообмена между жидкостями и газами. В большинстве случаев пар (греющий теплоноситель) вводится в межтрубное пространство, а нагреваемая жидкость протекает по трубкам. Конденсат из межтрубного пространства выходит к конденсатоотводчику через штуцер, расположенный в нижней части кожуха.

Другой вид - пластинчатые теплообменные аппараты. В них поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин. Эти аппараты могут быть разборными, полу-разборными и неразборными (сварными).

В пластинах разборных теплообменников имеются угловые отверстия для прохода теплоносителей и пазы, в которых закрепляются уплотнительные и компонующие прокладки из специальных термостойких резин.

Пластины сжимаются между неподвижной и подвижной плитами, таким образом, что, благодаря прокладкам между ними, образуются каналы для поочередного прохода горячего и холодного теплоносителей. Плиты снабжены штуцерами для присоединения трубопроводов.

Неподвижная плита крепится к полу, пластины и подвижная плита - закрепляются в специальной раме. Группа пластин, образующих систему параллельных каналов, в которых данный теплоноситель движется только в одном направлении, составляет пакет. Пакет по существу аналогичен одному ходу по трубам в многоходовых кожухотрубных теплообменниках.

Цель работы - произвести тепловой и поверочный расчет кожухотрубных и пластинчатого теплообменников.

Для этого необходимо:

рассчитать тепловую нагрузку теплообменного аппарата;

рассчитать и выбрать:

кожухотрубные теплообменники из стандартного ряда;

пластинчатый теплообменник из стандартного ряда.

Задание выполнить тепловой поверочный расчет кожухотрубных и пластинчатого теплообменников.

Исходные данные:

Теплоноситель:

греющий - сухой насыщенный пар;

нагреваемый - вода.

Параметры греющего теплоносителя:

давление Р₁ = 1,5 МПа;

температура t_1к = t_н .

Параметры нагреваемого теплоносителя:

расход G₂ = 80 кг/с;

температура на входе t_2н = 40С;

температура на выходе t_2к = 170С.

Расположение труб вертикальное.



1. Расчет тепловой нагрузки теплообменного аппарата

Тепловая нагрузка из уравнения теплового баланса [1]

,

кожухотрубный теплообменник пластинчатый нагрев

где - теплота, переданная греющим теплоносителем (сухим насыщенным паром), кВт; - теплота, воспринятая нагреваемым теплоносителем (водой), кВт; КПД теплообменника, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.

Уравнение теплового баланса при изменении агрегатного состояния одного из теплоносителей

,

где , соответственно расход, теплота парообразования и температура насыщения сухого насыщенного пара, кг/с, кДж/кг, С; - температура переохлаждения конденсата, С; теплоемкость конденсата греющего теплоносителя, кДж/(кг·К); - соответственно расход и удельная теплоемкость нагреваемой воды, кг/с и кДж/(кг·К) при средней температуре ; - соответственно начальная и конечная температуры нагреваемой воды, С.

По давлению греющего теплоносителя Р₁ = 1,5 МПа определяем по[2,3] температуру насыщения t_н = 198,3С и теплоту парообразования r = 1946,3 кДж/кг.

Определяющая температура конденсата

С.

Теплофизические параметры конденсата при =198,3С из [2,3]:

плотность ₁ = 1963,9 кг/м³;

теплоемкость = 4,49 кДж/(кг·К);

теплопроводность ₁ = 0,66 Вт/(м·К);

динамический коэффициент вязкости ₁=13610^-6 Пас;

кинематическая вязкость н₁ = 1,5610^-7 м²/с;

число Прандтля Pr₁=0,92.

Определяющая температура воды

С.

Теплофизические параметры воды при = С из [2,3]:

плотность ₂ = 1134,68 кг/м³;

теплоемкость = 4,223 кДж/(кг·К);

теплопроводность ₂ = 0,68 Вт/(м·К);

динамический коэффициент вязкости ₂ = 26810^-6 Пас;

кинематическая вязкость н₂ = 2,810^-7 м²/с;

число Прандтля Pr₂ = 1,7.

Теплота, воспринятая нагреваемой водой без изменения агрегатного состояния

Теплота, переданная сухим насыщенным паром при изменении агрегатного состояния

МВт.

Расход греющего теплоносителя



кг/с.

Выбор схемы движения теплоносителей и определение среднего температурного напора

На рис.1 представлен график изменения температур теплоносителей по поверхности теплообменника при противотоке. [2]

Рисунок 1 - График изменения температур теплоносителей по поверхности теплообмена при противотоке

В теплообменном аппарате происходит изменение агрегатного состояния греющего теплоносителя, следовательно, средний логарифмический температурный напор находится по формуле

.

С,

где C- большая разность температур двух теплоносителей на концах теплообменника; C - меньшая разность температур двух теплоносителей на концах теплообменника.

Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи

_ор=2250 Вт/(м²·К).

Тогда из основного уравнения теплопередачи ориентировочная площадь поверхности теплообмена

м².

2. Расчет и выбор кожухотрубных теплообменников

Между труб в кожухотрубном теплообменнике движется греющий теплоноситель - конденсирующийся сухой насыщенный пар, в трубах - нагреваемый теплоноситель вода, коэффициент теплоотдачи конденсирующегося пара выше, чем у воды.

Выбираем вертикальный сетевой подогреватель типа ПСВК-220-1,6-1,6 (рис.2) [5].

Основные размеры и технические характеристики теплообменника:

Диаметр корпуса D = 1345 мм.

Толщина стенки = 2 мм.

Наружный диаметр труб d = 24 мм.

Число ходов теплоносителя z = 4.

Общее число труб n = 1560.

Длина труб L = 3410 мм.

Площадь поверхности теплообмена F = 220 м².

Выбран вертикальный подогреватель сетевой воды ПСВК-220-1,6-1,6 (рис. 4) с поверхностью теплообмена F = 220 м².

Условное обозначение теплообменника ПСВК-220-1,6-1,6: П подогреватель; С сетевой воды; В вертикальный; К для котельных; 220 м² - площадь поверхности теплообмена; 1,6 МПа - максимальное рабочее давление греющего сухого насыщенного пара, МПа; 1,6 МПа - максимальное рабочее давление сетевой воды.

Рисунок 2 - Схема вертикального подогревателя сетевой воды типа ПСВК-220: 1 - распределительная водяная камера; 2 - корпус; 3 - трубная система; 4 - малая водяная камера; 5 - съемная часть корпуса; А, Б - подвод и отвод сетевой воды; В - вход пара; Г - отвод конденсата; Д - отвод воздушной смеси; Е - слив воды из трубной системы; К - к дифманометру; Л - к указателю уровня

В корпусе имеется нижний фланцевый разъем, что обеспечивает доступ к нижней трубной доске без выемки трубной системы. Применена однопроходная схема движения пара без застойных зон и завихрений. Усовершенствована конструкция пароотбойного щита и его крепление. Введен непрерывный отвод паровоздушной смеси. Введен каркас трубной системы, за счет чего повышена ее жесткость. Параметры указаны для латунных теплообменных труб при номинальном расходе сетевой воды и при указанном давлении сухого насыщенного пара. Материал труб - латунь, нержавеющая сталь, медноникилевая сталь.

Так как в теплообменнике происходит пленочная конденсация пара на наружной поверхности вертикально расположенных труб, воспользуемся следующей формулой коэффициента теплоотдачи от конденсирующегося сухого насыщенного пара к стенке из [3]:

Вт/(м²К),

где = 0,66 Вт/(мК) - коэффициент теплопроводности насыщенной жидкости; = кг/м³ - плотность насыщенной жидкости при С; Пас - коэффициент динамической вязкости насыщенной жидкости.

Определим коэффициент теплоотдачи для трубного пространства (нагреваемый теплоноситель - вода).

Для определения коэффициента теплоотдачи необходимо определить режим течения воды по трубкам. Для этого вычисляем критерии Рейнольдса [4]:

,

где d_вн = d-2 = 24-22 = 20 мм = 0,02 м - внутренний диаметр трубок; n = 1560 - общее число трубок; z = 4 - число ходов; Пас динамический коэффициент вязкости воды.

= 10⁴ - режим течения турбулентный, тогда критерий Нуссельта из [4]

,

Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемому теплоносителю

Вт/(м²К),

где Вт/(м²К) - коэффициент теплопроводности воды при С.

Определим скорость воды:

Проверка температуры стенки:

Принимаем, что трубы изготовлены из латуни, коэффициент теплопроводности _ст = 111 Вт/(м·К) по [4].

По наибольшему значению коэффициента теплоотдачи от пара к стенке определяем коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²К).

Определяем площадь поверхности теплообмена:

м²,



где МВт - теплота, переданная греющим теплоносителем; С - средний температурный напор.

Запас:

.

3. Графо-аналитический метод определения коэффициента теплопередачи и поверхности нагрева

Коэффициент теплопередачи определяем графо-аналитическим методом, для чего предварительно находим для различных участков перехода теплоты зависимость между плотностью теплового потока q и перепадом температур t.

а) Передача тепла от пара к стенке.

Коэффициент теплоотдачи определяем по формуле

где H=3,41м - высота трубок в одном ходе.

Для найденного значения ₁ определяем плотность теплового потока

Задавшись рядом значений , вычисляем соответствующие им величины и :

1	1
5	3,3	50693,6
10	5,6	86385,1

Строим кривую рис. 3.

б) Передача теплоты через стенку.

где _ст=111 Вт/(мС) - теплопроводность для латунной стенки; толщина стенки.

Задавшись рядом значений , вычисляем величину :

1	55500
5	277500
10	555000

Связь между q₂ и t₂ изображается графически прямой линией (рис. 3).

в) Передача теплоты через накипь

где _нак=3,49 Вт/(мС) - теплопроводность накипи; толщина накипи.

Задавшись рядом значений , вычисляем величину :

1	17450
5	87250
10	174500

Строим кривую рис. 3.

г) Передача теплоты от стенки к воде

Скорость воды в пароводяных подогревателях составляет , движение воды в трубках турбулентное, поэтому пользуемся формулой

где d_вн=0,02 м - внутренний диаметр труб; А= при средней температуре воды (табл. 1-4 [4]).

Тогда

Задавшись рядом значений , вычисляем величину :

1
5	13105
10	0

Строим кривую рис. 3.

Складывая ординаты четырех зависимостей, строим суммарную кривую температурных перепадов. Из точки m на оси ординат, соответствующей , проводим прямую, параллельную оси абсцисс до пересечения ее с суммарной кривой. Из точки пересечения n опускаем перпендикуляр n на ось абсцисс и находим значение q=49500 Вт/м².

Рисунок 3 - Зависимость теплового напряжения поверхности нагрева от температурного напора

При этом коэффициент теплопередачи

Поверхность нагрева теплообменника

4. Расчет и выбор пластинчатого теплообменника

Выбираю стандартный теплообменник (рис.4, табл. 2.13 [6]).

Параметры теплообмена и основные параметры разборных пластинчатых теплообменников (по ГОСТ 15518-83) со следующими характеристиками:

площадь поверхности теплообмена F=250м²;

площадь платины f=0,6м²;

количество пластин N=420;

эквивалентный диаметр канала d_э=8,3мм;

приведенная длина канала L=1,01м;

поперечное сечение канала S=0,00245м².

Условное обозначение теплообменника ТПР-0,6Е-250-1-2-10 (рис.4): Т - теплообменник; П - пластинчатый; Р - разборный; 0,6 м² - площадь одной пластины; Е - тип пластин; 250м² - площадь поверхности теплообмена; 1 - на консольной раме; 2 - марка материала; 10 - марка материала прокладки.

Скорость жидкости в каналах найдем по формуле [4]

м/с,

где кг/с - расход нагреваемого теплоносителя; кг/м³ - плотность воды при = 105?С; N = 420 - количество пластин аппарата; S = 0,00245м² поперечное сечение канала.

Рисунок 4 - Разборный пластинчатый теплообменник типа ТПР-0,6Е-250-1-2-10

;

Критерий Нуссельта

;

Коэффициент теплоотдачи к воде рассчитывается по формуле

Вт/(м²К).

Определяем значение Температура стенки t_ст=(t_н+/2=(198,3+170)/2=184,2. Тогда

При этом критерий Рейнольдса рассчитывается по формуле [6]



Коэффициент теплоотдачи от сухого насыщенного пара к стенке

Вт/(м²К),

где = 240 коэффициент, зависящий от типа (площади) пластины, при f=0,6м².

Теплопроводность нержавеющей стали _л = 111 Вт/(мК).

Тогда значение коэффициента теплопередачи составит

Вт/(м²К).

Уточняем значение

Температура стенки составит

Так как полученное значение температуры стенки мало отличается от принятого, то рассчитываем поверхность теплообмена.

Требуемая поверхность теплообмена

м²;

Запас поверхности составит

.

5. Сравнительный анализ теплообменных аппаратов

Сравнивая выбранные кожухотрубные и пластинчатый теплообменники, можно сделать вывод, что пластинчатый теплообменник предпочтительнее, особенно по габаритам, так как длина канала у пластинчатого L=1,01 м, а кожухотрубных L=3,41м.

Пластинчатые теплообменники экономически выгодны и по эксплуатационным показателям превосходят лучшие кожухотрубные [5].

Таким образом, можно сделать вывод, что в нашем случае предпочтительнее установить пластинчатый теплообменник, тем более, что запас поверхности нагрева его составляет % против отсутствия практически такового у кожухотрубных, - существует возможность обеспечения тепловой нагрузки выше расчетной 46,2 МВт.

Таблица 1 - Сравнительный анализ теплообменников

Вид теплообменника	Площадь поверхности теплообмена F, м2	Коэффициент теплопередачи k, Вт/(м2·К)	Длина трубок (каналов) L, м
Кожухотрубные	220	2272,7	3,41
Пластинчатый	250		(1,01)

6. Гидравлический расчет кожухотрубных теплообменников, трубопроводов воды и конденсата, выбор насосов и конденсатоотводчика

Потери давления воды в трубном пространстве с учетом шероховатости труб и сопротивлений входного и выходного штуцеров определяется по формуле [3]



где л - коэффициент гидравлического сопротивления трения; L - длина трубы, м; щ_тр - скорость потока внутри труб, м/с; d - внутренний диаметр трубы, м; с_тр- плотность воды внутри труб, кг/м³; z - число ходов; о₁=2,5 - коэффициент поворота между ходами [3]; =1,5 - коэффициент гидравлического сопротивления штуцеров [2]; - скорость потока в штуцерах, определяемая по формуле [3], м/с.

где G_тр - расход воды, кг/с; d_ш - диаметр штуцера, м, определяемый в зависимости от диаметра кожуха [3].

Коэффициент гидравлического сопротивления трения при турбулентном течении жидкости внутри труб определяется по формуле [3]

где Re_тр - число Рейнольдса для трубного пространства; е=Д/d - отношение величины шероховатости Д=0,2 мм [3] к внутреннему диаметру трубы d, мм.

Гидравлическое сопротивление

Скорость воды в трубках

где плотность воды при температуре =105 С.

Внутренний диаметр штуцеров по [3] принимаем d_ш=300 мм=0,3 м.

Скорость потока воды в штуцерах

0,99 м/с.

Коэффициент гидравлического сопротивления трения при турбулентном течении жидкости внутри труб из [3]

,

где e=/d=0,0002/0,02=0,01 - отношение величины шероховатости =0,2мм.

Таким образом, определим потери давления в трубном пространстве теплообменника:

Па.

Скорость конденсата в межтрубном пространстве определяют по формуле [3]

0,4 м/с,

где 0,03 м² - площадь сечения потока между перегородками; 1963,9 кг/м³ - плотность конденсата при температуре =198,3 С. Потери давления конденсата в межтрубном пространстве определяются по формуле [3]

где Re_мтр - число Рейнольдса для межтрубного пространства; щ_мтр - скорость потока конденсата в межтрубном пространстве, м/с; с_мтр- плотность конденсата в межтрубном пространстве, кг/м³; о=1,5 - коэффициент гидравлического сопротивления входов и выходов воды в межтрубном пространстве [3]; x=4 - число сегментных перегородок [3]; m - число рядов труб, преодолеваемых потоком конденсата в межтрубном пространстве, определяемая по формуле [3]

где _мтр.ш - скорость потока конденсата в штуцерах, м/с, определяемая по формуле [3]

0,17 м/с,

где G₁=23,73 кг/с - расход конденсата; кг/м³ - плотность конденсата при температуре =198,3 С; d_мтр.ш = 0,3 м - диаметр штуцеров к кожуху из [3].

= 8226,2 Па.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В расчетно-графической работе был произведен поверочный расчет кожухотрубчатых и пластинчатого теплообменников для нагрева воды за счет теплоты конденсации водяного пара. В результате были выбраны стандартные теплообменники:

для нагрева воды за счет теплоты конденсации водяного пара ПСВК-220-1,6-1,6;

По результатам поверочного расчета были получены следующие результаты: тепловая нагрузка МВт; расчетный коэффициент теплопередачи Вт/(м²К); стандартная площадь поверхности теплообмена в первой секции =м².

Расчетный коэффициент теплопередачи пластинчатого теплообменника Вт/(м²К) и стандартная площадь поверхности теплообмена 250 м².

Выполнен гидравлический расчет с учетом местных сопротивлений, а также потерь давления в трубопроводах, длина которых принята самостоятельно.

Выбраны насосы для теплоносителей с учетом их расхода и напора, который должны создать насосы. Для нагреваемого теплоносителя - насос Х90/85, для охлажденного конденсата - насос Х90/33. Также выбраны для питания насосов электродвигатели АО-103-4 и АО2-91-2. Для отвода конденсата выбран конденсатоотводчик типа КА2Х26.16.13 и давлением пара 1,3 МПа.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Картавская В.М. Тепломассообменное оборудование ТЭС и промпредприятий [Электронный ресурс]: учеб. пособие. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2014.

2. Александров А.А., Григорьев Б.А. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара: справочник. - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 168с.

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

4. Лебедев П.Д. Теплообменные, сушильные и холодильные установки: учеб. пособие - М.: Энергия, 1972. - 317 с.

5. Теплообменное оборудование для промышленных установок и систем теплоснабжения. Промышленный каталог [Электронный ресурс]. - М.: ФГУП ВНИИАМ, 2004.

6. Основные процессы и аппараты химической технологии: пособие по проектированию/ под ред. Ю.И. Дытнерского. - М.: Альянс, 2008. - 496с.

7. Оборудование для пароконденсатных систем. Промышленный каталог [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.relasko.ru (29 апреля 2015).

Размещено на Allbest.ru