Проект водонагревательной установки непрерывного действия
Министерство образования и науки Российской Федерации
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра теплоэнергетики
Допускаю к защите
Руководитель__________ В.М. Мартынов
Проект водонагревательной установки непрерывного действия
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
К курсовой работе по дисциплине
Тепломасообменное оборудование предприятий
1.001.00.00.ПЗ
Выполнил студент группы ТЭ-09-1 _______ Д.И.Голубкин
Нормоконтроль
Курсовая работа защищена с оценкой_______________
Иркутск 2010 г.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ…….…………………………………………………
1. Расчет
и выбор кожухотрубного
2.Расчет и выбор
пластинчатого теплообменника...………………………....
3. Гидравлический расчёт кожухотрубного теплообменника, трубопроводов
нагреваемого и греющего теплоносителей и выбор насосов………………..11
4. Расчет
тепловой изоляции…………………………...
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..………………………………………………
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВННЫХ ИСТОЧНИКОВ…………………………….19
ВВЕДЕНИЕ
В курсовом проекте рассматриваются расчет и выбор двух видов теплообменников (кожухотрубный и пластинчатый).
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 теплоносителей. 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 пластинчатых теплообменниках поверхность теплообмена образована набором тонких штампованных гофрированных пластин. Эти аппараты могут быть разборными, полуразборными и неразборными (сварными).
В пластинах
разборных теплообменников
Неподвижная
плита крепится к полу, пластины
и подвижная плита –
Целью курсовой работы является – разработатьпроект водонагревательной установки непрерывного действия.
Для этого необходимо:
рассчитать тепловую нагрузку теплообменников;
выполнить приближенную оценку коэффициентов теплоотдачи, теплопередачи и поверхности нагрева;
выбрать: теплообменник из стандартного ряда; насос (насосы) для подачи воды и возвратного конденсата; а в конце конденсатоотводчик;
выполнить поверочныйи гидравлический расчеты теплообменника
выбрать и рассчитать тепловую изоляцию подводящих и отводящих трубопроводов и аппарата;
составить схему водонагревательной установки.
1.
Расчет тепловой нагрузки
Определяющая температура воды
°С
где t2н= 5оС – начальная температура нагреваемого теплоносителя; t2к= 70оС – конечная температура нагреваемого теплоносителя.
Теплофизические свойства воды при t2=37,5°С по [1] :
плотность ρ2 = 993,5 кг/м³;
теплоемкость С2= 4,174 кДж/(кг·К);
теплопроводность λ2= 0,625 Вт/(м·К);
динамический коэффициент
число Прандтля Pr2= 4,58;
кинематический коэффициент
Теплота, воспринятая нагреваемым теплоносителем без изменения его агрегатного состояния
Q2 = G2C2(t2к-t2н) = 10·4,174·(70-5) = 2713,115 кВт.
Тепловая нагрузка из уравнения теплового баланса для греющего теплоносителя
где η = 0,95 – КПД теплообменника, учитывающий потери теплоты в окружающую среду.
Тепловой баланс и определение расхода одного из
теплоносителей при известном расходе другого теплоносителя
Из уравнения теплового баланса при конденсации насыщенных паров без охлаждения конденсата
выражаем расход греющего теплоносителя
где r = 2383,3кДж/(кг·К) – теплота парообразования при температуре насыщения tн= 104,8 оС и при заданном давлении P = 0,12 МПа по [1,2].
Теплофизические показатели конденсата приtн=104,8 оС по [1]:
теплоемкость С1= 4,227 кДж/(кг·К);
плотность ρ1= 955,3 кг/м³;
теплопроводность λ1= 0,679 Вт/(м·К);
динамический коэффициент
кинематический коэффициент
число ПрандтляPr1=1,674.
Определение среднего температурного напора
Греющий теплоноситель имеет постоянную температуру на всем протяжении теплообменника, следовательно, среднелогарифмические напоры при противотоке и прямотоке будут равны. Выбираю в качестве схемы движения теплоносителей противоток.
На рис.1 изображено изменение температур теплоносителей по поверхности теплообменника при противотоке.
Рисунок 1 – Изменение температур теплоносителей по поверхности
теплообменника при противотоке
Определяем большую Δtб и меньшую Δtм разности температур двух теплоносителей на концах теплообменника (рис.1):
Δtб = tн-t2н= 104,8 - 5 = 98,8 оС;
Δtм = tн-t2к= 104,8 - 70 = 34,8 оС.
Проверяем соотношение
Так как отношение Δtб/Δtм<4,5, средний температурный напор при противотоке
Δtср = 0,5(Δtб+ Δtм)-0,1(Δtб+Δtм) = 0,5(98,5+34,8)-0,1(98,5-34,8) =60,3 оС.
Приближенная оценка коэффициента теплоотдачи, теплопередачи и поверхности нагрева
Принимаю ориентировочное
Основное уравнение
откуда ориентировочная
Ориентировочный коэффициент теплопередачи для вынужденного движения соответствует развитому турбулентному режиму течению и оптимальному режиму работы аппарата.
Выбор теплообменника из стандартного ряда
Выбираю стандартныйкожухотрубный теплообменник из табл. 2.3 [3] со следующими характеристиками (рис.2):
внутренний диаметр кожуха Dв = 325 мм;
наружный диаметр труб dн×δ = 20×2 мм;
число ходов z = 2;
общее число труб n = 90;
высоты труб H = 3 м;
площадь поверхности теплообмена F = 17 м2.
Расчет коэффициентов теплоотдачи с греющей и нагреваемой стороны, коэффициент теплопередачи и поверхности теплообмена
Коэффициент теплоотдачи вычисляем по формуле из [3]
Здесь определяющим размером является внутренний диаметр трубок, который можно вычислить по формуле
Для определения расчётной формулы критерия Нуссельта необходимо рассчитать:
– скорость движения
– площадь сечения пучка труб. Здесь n=166 и z=2 – соответственно число трубок и число ходов; тогда критерий Рейнольдса
– режим течения турбулентный.
При турбулентном течении жидкости в прямых трубах и каналах с различной формой поперечного сечения для определения критерия Нуссельта справедлива формула М.А. Михеева (с. 45) из [2]
поскольку tc~tж, то поправкой Prж/Prc пренебрегаем.
Тогда формула значительно упрощается и принимает вид:
Коэффициент теплоотдачи от стенки к нагреваемой воде
Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб , определим по уравнению
Расчет коэффициента теплопередачи и поверхности
теплообмена
Поскольку толщина трубок теплообменника не превышает 2,5 мм, для уточнения коэффициента теплопередачи использую формулу для плоской стенки [3, с.27], термическим сопротивлением загрязнения пренебрегаем, ошибка составит не более 3%:
где = 0,002 м – толщина стенки, – теплопроводность стали.
Уточняю площадь поверхности теплообмена
Сопоставляю стандартную поверхность теплообмена с рассчитанной
Запас поверхности составляет 11,4%, что является допустимым, и принимаем к установке ранее выбранный теплообменник 325ТГК-6-М1-0/20-3-1гр.А
Условное
обозначение теплообменника325ТВК-12-М1-О/
325 мм – диаметр кожуха; Т - теплообменник; Г – горизонтальный; К – конденсатор; 12ата (0,12 МПа) – давление в трубном пространстве, М1 – материал группы 1; О – обыкновенного исполнения по температурному ограничению; 20 мм – наружный диаметр труб; 3 м – длина труб; 2 – двухходовый по трубному пространству; А – для нагрева и охлаждения не взрывоопасных пожаробезопасных сред и сред, не обладающих токсичностью.
Рисунок 2 – Вертикальный кожухотрубчатый двухходовой (по трубному пространству) теплообменник: 1 – крышка распределительной камеры; 2 – распределительная камера; 3 – кожух; 4 – теплообменные трубы; 5 – перегородка с сегментным вырезом; 6 – штуцер; 7 – крышка
2. Расчёт и выбор пластинчатого теплообменника
Выбираю пластинчатый подогреватель (конденсатор паров) из табл. 2.13 [3] с поверхностью теплообмена F = 16 м2, поверхностью пластины f= 0,3 м2 и числом пластин N = 56.
Конструктивные характеристики данного теплообменника из табл. 2.14 [3]:
эквивалентный диаметр канала dэ= 8,0 мм;
поперечное сечение канала S = 0,0011 м2;
приведенная длина канала l= 1,12 м;
диаметр условного прохода штуцеров dшт = 65 мм.
Условное обозначение теплообменника ТПР 0,3Е-16-1-2-10 (рис. 3): Т – теплообменник; П – пластинчатый; Р – разборный; 0,3 м2 – площадь одной пластины; Е – тип пластин; 20 м2 – площадь поверхности теплообмена; 1 – на консольной раме; 2 – марка материала; 10 – марка материала прокладки (стойкая резина СУ-359).
Рисунок 3 – Разборный пластинчатый теплообменник:
I – греющий теплоноситель (конденсат) ;II – нагреваемый теплоноситель (вода)
Скорость жидкости и число Рейнольдса в N/2 = 28 каналах из [3] равны
так как то наблюдается турбулентный режим из [3].
Критерий Нуссельта из [2]
Коэффициент теплоотдачи
Число Рейнольдса из [2]
так какRe>50, то наблюдается турбулентный режим из [3].
Критерий Нуссельта из [3]
где 240 – коэффициент, зависящий от площади пластины из [3].
Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке
где δ=0,001м – толщина пластин, λ=17,5 Вт/(м∙К) для нержавеющей стали из [2].
Уточняем площадь поверхности теплообмена
Сопоставляем стандартную (ранее выбранную) поверхность теплообмена срассчитанной, то есть запас поверхности равен
Площадь поверхности стандартного теплообменника больше расчетной, запас поверхности составляет 9%. Выбранный теплообменник подходит по всем параметрам.
8. Гидравлический расчет
пластинчатого теплообменника и
выбор насосов
Расчет
гидравлического сопротивления
необходим для определения
Скорость воды в штуцерах из [2] равна
Гидравлическое сопротивление аппарата, в соответствие с формулой 2.37 из [2]
где х=1 – число пакетов (ходов) для данного теплоносителя; ξ=α2/Re20,25= =19,3/(3842,33)0,25 =2,45 из [2]; α2=19.3 при f = 0,3 м2 из [2].
Рисунок 4 – Схема подключения теплообменника: 1- теплообменник; 2 - насос; 3,5,12 - задвижка; 4- заборный бак; 6 - конденсатоотводчик; 7 - обратный клапан; 8 - бак сбора конденсата; 9 - конденсатный насос; 10 - всасывающий трубопровод; 11 - напорный трубопровод
Скорость течения нагреваемой воды в трубопроводе принимаю wтр=2 м/с (стр.16 из [2]), тогда, в соответствие с формулой (1.8) из [2], диаметр трубопровода
где V2= G2/ρ2=10/943,5=0,01 м3/с – объемный расход воды.
Принимаю стальную трубу с наружным диаметром dтр.н=90 мм и толщиной стенки =5 мм. Следовательно, внутренний диаметр трубопровода dтр.вн=80 мм.
Фактическая скорость воды в трубе
Определяем потери на трение и местные сопротивления в трубопроводе нагреваемой воды
Критерий Рейнольдса
– турбулентный режим течения.
Принимаем абсолютную шероховатость равную ∆=1∙10-4 м (стр.14 [2]), тогда относительная шероховатость
В турбулентном потоке различают три зоны, для которых коэффициент трения рассчитывают по разным формулам, границы которых равны 2320, и . Подставляя значение относительной шероховатости получаем
, тогда ,
таким образом, в трубопроводе имеет место зона смешанного трения по отношению к Re и коэффициент трения по формуле 1.6 из [2] равен
Определяем сумму
Для всасывающей линии:
1) – вход в трубу, n = 1шт;
2) – задвижка, n = 1шт;
3) – отвод под углом 90°, n = 1шт.
Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии равна
Потеря напора во всасывающей линии, в соответствие с формулой 1.2 из [2], равна
где lвс = 5 м – длина трубопровода на линии всасывания.
Для нагнетательной линии:
1) – клапан обратный поворотный, n = 1 шт;
2) – задвижка, n = 1 шт;
3) – выход из трубы, n =1 шт.
Сумма коэффициентов
местных сопротивлений
Потери напора для нагнетательной линии равны
где lнаг =10 м - длина трубопровода на линии нагнетания.
Общие потери насоса равны
Потребный напор насоса равен
где Р1 =0,1013 МПа – давление в заборном баке, из которого перекачивается вода (атмосферное); Р2=0,31 МПа – давление в аппарате, в который подается жидкость (при t2к=70оС); hп – общие потери насоса.
Полезная мощность насоса, затрачиваемая на перекачивание жидкости, определяется по формуле (1.32) [2]
Принимая ηпер=1 – КПД перемещения и ηн=0,7 – КПД насоса как для центробежного, находим мощность на выходном валу двигателя при установившемся режиме работы по формуле (1.34) [2]
По приложению 1.1 [2] выбираем центробежный насос марки Х45/54, который имеет следующие характеристики:
производительность V=1,25·10-2 м3/с;
частота вращения n = 48,3 с-1;
КПД насоса ηн = 0,6;
развиваемый напор Н = 32,6 м вод. ст.
Насос обеспечен электродвигателем АО2-71-2 номинальными мощностью Nн=22 кВт и КПД ηдв=0,88.
Запас напора на кавитацию по формуле (1.37) [2] равен
вод. ст
Условие для высоты всасывания определяется по формуле (1.36) [2]
=
где =8, 718·103 кПа – давление насыщенного пара перекачиваемой воды при рабочей температуре t2н=5оС из [1].
Таким образом, возможно расположение насоса на высоте до 4,33 м над уровнем воды в емкости.
Скорость течения воды в отводящем трубопроводе конденсата принимаю wтр=1,5 м/с [2], тогда, в соответствие с формулой 1.8 из [2], диаметр трубопровода
Объемный расход V1= G1/ρ1=1,19/913,3=0,0013 м3/с. Принимаю стальную трубу с наружным диаметром dтр.н=38 мм и толщиной стенки =2 мм. Следовательно, внутренний диаметр трубопровода dтр.вн=34 мм.
Фактическая скорость воды в трубе
Определяем потери на трение и местные сопротивления в трубопроводе нагреваемой воды.
Критерий Рейнольдса
– турбулентный режим течения.
Принимаем абсолютную шероховатость равную ∆=1∙10-4 м [2], тогда относительная шероховатость
В турбулентном потоке различают три зоны, для которых коэффициент трения рассчитывают по разным формулам, границы которых равны 2320, и . Подставляя значение относительной шероховатости получаем:
, тогда ,
таким образом, в трубопроводе имеет место зона, смешанного трения по отношению к Re и коэффициент трения по формуле из[3] равен
Определяем сумму коэффициентов местных сопротивлений.
Для всасывающей линии:
1) - вход в трубу, n=1шт;
2) - задвижка, n=1шт;
Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии равна
.
Потеря напора во всасывающей линии, в соответствие с формулой (1.2) [2], равна
где lвс =15 м - длина трубопровода на линии всасывания.
Для нагнетательной линии:
1) - клапан обратный поворотный, n=1 шт;
2) - задвижка, n=1 шт;
3) - выход из трубы, n=1 шт .
Сумма
коэффициентов местных
Потери напора для нагнетательной линии равны
м вод. ст
где lнаг =10 м - длина трубопровода на линии нагнетания.
Общие потери насоса равны
Потребный напор насоса равен
где Р2=Р1 =0,1013 МПа – в аппарате, в который подается жидкость.
Полезная мощность насоса, затрачиваемая на перекачивание жидкости, определяется по формуле (1.32) [2]
Принимая ηпер=1 – КПД перемещения и ηн=0,7 – КПД насоса как для центробежного, находим мощность на выходном валу двигателя при установившемся режиме работы по формуле (1.34) [2]
По приложению 1.1 [2] выбираем центробежный насос марки Х20/18, который имеет следующие характеристики:
производительность V=5,5·10-3 м3/с;
частота вращения n=48,3 с-1;
КПД насоса ηн=0,6;
развиваемый напор Н=10,5 м вод. ст.
Насос обеспечен электродвигателем АО2-31-2 номинальными мощностью Nн=3 кВт и КПД ηдв=0,83.
Запас напора на кавитацию по формуле 1.37 из [2] равен
Условие для высоты всасывания определяется по формуле 1.36 из [2]:
где = Р1 =0,12 МПа – давление насыщенного пара перекачиваемой жидкости при рабочей температуре t1к= tн = 377,5 К [2].
Таким образом, возможно расположение насоса на высоте 4,04 м ниже уровня конденсата в емкости.
4. Расчет тепловой изоляции
Расчет изоляции
трубопроводов заключается в
определении толщины
В качестве
изоляционного материала
Для цилиндрических объектов диаметром менее 2 м толщина теплоизоляционного слоя из [4] равна
гдеВ – отношение наружных диаметров изоляции и изолируемого объекта и определяется по формуле
где м·К/Вт – сопротивление теплопередачи на 1 м длины теплоизоляционной конструкции цилиндрических объектов; ql= 6 Вт/м – нормированная линейная плотность теплового потока с 1 м длины цилиндрической теплоизоляционной конструкции; k1 = 1,09 – поправочный коэффициент на географическое положение (Восточная Сибирь);
м·К/Вт – термическое сопротивление стенки трубопровода.
Суммарный коэффициент теплоотдачи лучеиспусканием и конвекцией
α2=9,3+0,058tн=9,3+0,058∙30=11 Вт/(м2К).
Проверка пригодности
Если условие dкр<dтр.н выполняется, то применение данной изоляции целесообразно.
Средняя температура изоляции на трубопроводах пара равна
где tвн=104,8 °С – температура внутренней поверхности изоляции на трубопроводе пара; tн=30оС – температура наружной поверхности изоляции.
Коэффициент теплопроводности равен
Диаметры условного прохода штуцеров пара в пластинчатом теплообменнике равны 0,2 м (табл.2.14 [3]). Поэтому выбираю трубопроводы для пара тех же размеров, что и трубопровод для воды dтр.н=194 мм.
=
В=1,8.
Толщина изоляции на трубопроводе пара равна
Критический диаметр
условие выполняется dкр<dтр.н – изоляция пригодна.
Средняя температура изоляции на трубопроводах конденсата
Коэффициент теплопроводности
λк=0,049+0,0002·102,68=0,0695 Вт/(м·°С).
Тепловые потери с наружной поверхности изоляции трубопровода пара
где α2– это коэффициент теплоотдачи с наружной поверхности изоляции, Вт/(м2К); F = 16 м2 – площадь поверхности теплообмена; = 30°С – температура наружной поверхности изоляции; = 20°С – температура воздуха.
Конденсатоотводчики предназначаются для автоматического отвода конденсата из теплообменных аппаратов. Они должны обеспечивать полную конденсацию пара в теплообменнике, а в некоторых случаях и частичное переохлаждение конденсата.
В данном случае выбираем конденсатоотводчик с производительностью
V2 = 0,01 м3/с и давлением пара 0,12 МПа из [4].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В курсовой работе был произведен тепловой конструктивный расчет кожухотрубчатого теплообменника для нагрева воды за счет теплоты конденсации водяного пара. Была выбрана противоточная схема движения теплоносителей.
В результате был выбран стандартный кожухотрубчатый теплообменник 325ТВК-12-М1-О/16-3-2 гр. А с конструктивными характеристиками:
диаметр кожуха Dв=325 мм;
диаметр труб d×δ=20×2 мм;
число ходов z=2;
общее число труб n=90;
высота труб H =3 м;
площадь поверхности теплообмена F=17 м2.
Также были определены следующие характеристики: