Тепловой расчет подогревателя


Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Братский государственный  университет»

Факультет энергетики и автоматики

Кафедра промышленной теплоэнергетики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине

«Тепломассообмен»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет пароводяного подогревателя

 

 

Пояснительная записка

140106 ТО 10 КР 00000 ПЗ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил

студент группы ЭОП-05                                                                               Красуля А.С.

 

 

 

Руководитель

к.т.н., доцент кафедры ПТЭ                                                                        Федяева В.Н.

 

 

 

Братск 2007

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СОДЕРЖАНИЕ


Введение…………………………………………………………………….4

  1. Тепловой расчет подогревателя…………………………………….8
  2. Гидравлический расчет подогревателя…………………………….22
  3. Механический расчет подогревателя………………………………27

Заключение…………………………………………………………………38

Список использованной литературы……………………………………...39

Спецификация……………………………………………………………....40

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


ВВЕДЕНИЕ.

 

Теплообмен- учение о  самопроизвольном необратимо протекающем  процессе распространения теплоты  в пространстве. Процессы теплообмена  сопровождаются химическими реакциями  и физическими превращениями (нагревание, охлаждение, кипение, конденсация и  др.). Процессы теплообмена делятся на: теплопроводность, конвекцию, излучение.

Теплообменными аппаратами называют устройства, предназначенные  для передачи тепла от одного теплоносителя  к другому, а также для осуществления  различных технологических процессов: нагревание, охлаждение, кипение, конденсация и др.

Теплообменные аппараты бывают различных типов:

    • контактного типа (смесительные аппараты);
    • поверхностного типа.

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.

В теплообменных аппаратах  поверхностного типа теплообмен идет через разделительную стенку и, теплоносители  не смешиваются (рекуперативные аппараты). Данные аппараты нашли широкое применение в теплоэнергетике для нагрева (охлаждения) воды (пара) в испарителях и конденсаторах. Так же используются для теплообмена двух жидкостей в теплообменниках типа «труба в трубе», данные теплообменные аппараты имеют поверхности нагрева от нескольких квадратных сантиметров до нескольких сотен квадратных метров.

Основные требования, предъявляемые к конструкциям теплообменных  аппаратов:

 

 

- строгое обеспечение  заданного технологического режима;


- обеспечение высокой удельной  плотности теплового потока;

- высокая экономичность;

_ наименьшее гидравлическое  сопротивление, компактность;

- надежность и безопасность  эксплуатации;

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

- удобство монтажа,  ремонта, обслуживания.

Поверхностные теплообменные  аппараты делят  на рекуперативные и регенеративные.

Рекуперативные –  аппараты, в которых теплообмен идет через разделительные стенки.

Регенеративные –  аппараты, в которых два или  более теплоносителей поочередно соприкасаются  с насадкой, причем тепловой поток  меняет свое направление на противоположное.

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

По виду теплоносителей теплообменные аппараты бывают водо-водяные, пароводяные, газо-воздушные, газо-мазутные.

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

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

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

 

 


Кожухотрубчатый рекуперативный аппарат.

 

 

 

 

Рис.1.

 

 

 

 

 

1.ТЕПЛОВОЙ  РАСЧЕТ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ.

При заданном давлении пара Рп=0,7МПа, температура насыщения ts=1510C. Пар перегрет, имеем две зоны теплообмена:

первая – охлаждение пара от tп до ts;

вторая – конденсация  насыщенного пара на вертикальных трубах.

Считаем, что переохлаждения конденсата нет. Расчет поверхности проводим отдельно для каждой зоны (Рис.2)

    1. Определяем параметры теплоносителей при средних температурах воды и пара:

где

      - температура воды на входе в подогреватель;

      - температура воды на выходе из подогревателя.

.

,

где

     - температура перегретого пара, 0С;

     - температура насыщенного пара,

0С

0С

    1. По таблицам физических свойств воды и водяного пара определим их основные параметры

При 0С определяем следующие справочные данные:

- теплоемкость воды;

=990,1 -плотность воды;

 м2/кг-


 м2/с- коэффициент кинематической вязкости воды;

 

 

- коэффициент теплопроводности  воды;

- число Прандтля

При определяем:

- теплоемкость пара;

- плотность пара;

- коэффициент кинематической  вязкости пара;

- коэффициент теплопроводности пара;

- число Прандтля

    1. Определяем количество теплоты, передаваемой паром воде

,

- объемный расход воды, ;

- теплоемкость воды.

                      


1.3.1.  Вычисляем количество теплоты, передаваемой паром воде в 1-й зоне

,

где

      - массовый расход пара, ;

      - теплоемкость пара,  

1.3.1.1. Определяем расход пара

  ,

где

- теплота парообразования, определяемая  по температуре насыщения пара( ), .

1.3.2. Определяем количество теплоты, передаваемой паром воде во 2-й

 

 

зоне

1.3.3.  Проверим полученное  значение передаваемой паром  воде

    1. Выберем произвольно диаметр трубок:

материал: сталь;

скорость воды: ;

внутренний диаметр: dвн=0,027 м


наружный диаметр: dнар=0,029 м

толщина стенок трубок:

1.5. Определяем коэффициент  теплоотдачи от внутренней поверхности  стенки трубки к воде

, ,

где

- внутренний диаметр трубки, ;

- коэффициент теплопроводности  воды,

     - критерий Нуссельта для воды.

1.5.1. Определяем режим  течения воды в трубах

,

где

      - критерий Рейнольдса;

      -коэффициент кинематической вязкости воды,

      - скорость воды в трубках, 

т. к. то режим течения жидкости турбулентный, значит критерий Нуссельта определяем по формуле:

,

где

 

      - число Прандтля;

      - поправочный коэффициент( ).

1.6. Вычисляем количество  трубок

Выбираем стандартное  количество трубок, близкое к полученному  значению - .


1.7. Определяем шаг между трубками

1.8. Определяем  (по прил. 17) при . =10.Отсюда определяем диаметр трубной решетки ,м.

1.9. Определяем внутренний  диаметр корпуса

,

где

      - кольцевой зазор между крайними трубками и корпусом аппарата ( );

      - наружный диаметр трубки, м.

.

1.10. Рассчитаем поверхность  теплообмена в 1-й зоне

1.10.1. Определяем площадь  межтрубного пространства для  прохода пара

.


1.10.2. Определяем скорость пара  в межтрубном пространстве

,

где

   - плотность пара,

   - массовый расход пара,

                              

1.10.3. Определяем коэффициент теплоотдачи от пара к трубе

, ,

где

   - эквивалентный диаметр, ;

             - коэффициент теплопроводности пара,

   - критерий Нуссельта для пара.

1.10.3.1. Вычисляем эквивалентный  диаметр

, ,

где

   - смоченный периметр, .

1.10.3.2. Определяем смоченный периметр

1.10.3.3. Определяем режим  течения воды в трубах

,

где

  - критерий Рейнольдса;

             - коэффициент кинематической вязкости пара,

   - скорость пара в трубках,

 

 

т. к. то режим течения жидкости турбулентный, значит критерий Нуссельта определяем по формуле:


,

где

      - число Прандтля для пара;

1.10.4. Вычисляем коэффициент теплопередачи в 1-й зоне

, ,

где

      - толщина трубки, ;

      - толщина накипи, ;

- коэффициент теплопроводности стали трубки, ;

      - коэффициент теплопроводности накипи, .

1.10.5. Определяем температурный  напор в 1-й зоне

, ,

где

      - температура воды на границе между зонами, ,

 

Поверхность теплообмена 1-й зоны составит

,


1.11. Рассчитаем поверхность теплообмена  во 2-й зоне

Будем считать, что в этой зоне коэффициент теплоотдачи от внутренней стенки трубки к жидкости равен коэффициенту теплоотдачи в 1-ой зоне. Это допустимо, так как свойства воды во  2-й зоне мало отличаются от свойств воды в 1-й зоне.

Определим коэффициент теплопередачи для 2-й зоны k2 графоаналитическим методом. Для этого предварительно находим для различных участков перехода теплоты зависимость между удельным тепловым потоком q и перепадом температур Dt.

 

Передача теплоты от пара к стенке.

1.11.1Определяем удельный тепловой поток

1.11.1Определяем удельный тепловой поток

где

     – безразмерный коэффициент;

      – предполагаемая высота трубок( ), .

1.11.1.1. Вычисляем безразмерный коэффициент

Задавшись рядом значений Dt1, вычислим соответствующие им величины Dt10,75 и q1. Строим кривую Dt1 = f(q1) (рис.3).

 

Таблица 1.1.

Зависимость Dt1 = f(q1).

t, °С

t0,75

q1,кВт/м2

10

20

30

40

44,62

50

5,6

9,5

12,8

15,9

17,26

18,8

64,49

108,46

147,01

182,41

195

215,64


 

Передача теплоты через стенку.

1.11.2. Определяем плотность теплового потока


где

      ;

     

Задавшись значениями Dt2, вычисляем соответствующие им величины q2. Строим кривую Dt2 = f(q2) (рис.3).

Таблица 1.2.

Зависимость Dt2 = f(q2).

t, °С

q2,кВт/м2

5

5,21

10

20

25

30

190

198

380

760

950

1140


 

Передача теплоты через накипь.

 

 

1.11.3. Вычисляем удельный тепловой поток


где

      ;

     

Задавшись значениями Dt3, определим соответствующие им величины q3. Строим кривую Dt3 = f(q3) (рис.3).

Таблица 1.3.

Зависимость Dt3 = f(q3).

t, °С

q3,кВт/м2

5

10

11,36

15

20

87,25

174,5

198

261,75

349


 

Передача теплоты от накипи к воде.

1.11.4. Вычисляем удельный тепловой поток

,

где

     

Задавшись значениями Dt4, определим соответствующие им величины q4. Строим кривую Dt4 = f(q4) (рис.3).

 

 

 

 

 

 

 


Таблица 1.4.

Зависимость Dt4 = f(q4).

t, °С

q4, кВт/м2

5

10

15

20

25

39,41

24,9

49,79

74,69

99,58

124,48

198


 

1.11.5. Рассчитаем средний температурный напор во 2-й зоне

, ,

Складываем ординаты четырех зависимостей, строим кривую температурных перепадов. На оси ординат из точки, соответствующей Dt2, проводим прямую, параллельную оси абсцисс, до пересечения с кривой Dtå = åf(qi). Из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и находим значение удельного теплового потока qгр, кВт/м2.

Пусть:

 

.

.

1.11.6. Определяем коэффициент теплопередачи во 2-й зоне

 


1.11.7. Поверхность теплообмена во 2-й зоне составит

1.12. Определяем суммарную  поверхность теплообмена

1.13. Вычисляем длину трубок

где

      – средний диаметр трубок, м;

Т. к. не рекомендуется устанавливать трубки длиной более 5 м. Следовательно, необходимо уменьшить длину трубок. Для этого выбираем многоходовой подогреватель. Тогда общее число трубок составит

, ,

где

      - число ходов теплообменника.

Выбираем стандартное  количество ходов, близкое к полученному  значению - 3

. По ГОСТу n=301 шт.

1.14. Определяем D'при nст = 301

1.15. Проведем повторный расчет уже для многоходового теплообменника по формулам 1.9. - 1.13. 

Внутренний диаметр корпуса составит

 


Площадь межтрубного пространства для прохода пара

 

Скорость пара в межтрубном пространстве

Определяем коэффициент  теплоотдачи от пара к трубе:

Эквивалентный диаметр

Смоченный периметр

    

 Критерий Рейнольдса для пара

Критерий Нуссельта для пара

    

Коэффициент теплоотдачи от пара к трубе

 

Коэффициент теплопередачи в 1ой зоне

,

Поверхность теплообмена первой зоны

 

Суммарная поверхность теплообмена

    

1.16. Вычисляем длину трубок

Выбираем ближайшую  стандартную длину трубок L = 3 м.


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ПОДОГРЕВАТЕЛЯ.

 

Этот расчет устанавливает затрату энергии на движение теплоносителей через аппарат. Гидравлическое сопротивление пароводяных теплообменников по межтрубному пространству, как правило, не определяется, так как его величина вследствие небольших скоростей и малой его плотности мала. Полный напор DР, необходимый для движения жидкости или газа через теплообменник, определяется по следующей формуле:

    DP = åDPтр + åDPм + åDPу + åDPг , Па,

где

      åDPтр – сумма гидравлических потерь на трение, Па;

      åDPм – сумма потерь напора в местных сопротивлениях, Па;

      åDPу – сумма потерь напора, обусловленных ускорением потока, Па;

      åDPг – перепад давления для преодоления гидростатического столба жидкости, Па.

2.1. Гидравлические потери на трение в каналах при продольном омывании пучка труб теплообменного аппарата определяются по формуле

где

      lтр – коэффициент сопротивления трения;

      – длина трубы, м;

      dэ – эквивалентный диаметр, равный внутреннему диаметру трубок, м;

      r – плотность воды, кг/м3;

      w – средняя скорость воды на данном участке, м/с.

2.2. Коэффициент сопротивления трения для чистых трубок можно рассчитать по выражению

 

 

2.3. Гидравлические потери давления в местных сопротивлениях можно определить по формуле


где

      – коэффициент местного сопротивления, его находят отдельно для каждого элемента подогревателя

     

2.4. Потери давления, обусловленные ускорением потока вследствие изменения объема теплоносителя при постоянном сечении канала, определяются по выражению

, ,

где

      w1 и w2 – скорости теплоносителя во входном и выходном сечениях потока соответственно, м/с;

      r1 и r2 – плотности теплоносителя во входном и выходном сечениях потока соответственно, кг/м3.

      DPу = 0 (для капельных жидкостей Pу ничтожно мало и не принимается в расчет).

Перепaд давления для преодоления гидростатического столба жидкости равен нулю, т.к. данный подогреватель не сообщается с окружающей средой:    DPг = 0.

2.5. Определим полный напор, необходимый для движения воды через аппарат

 

2.6. Определим мощность, необходимую для перемещения воды через подогреватель

где

      Gв - объемный расход воды, м3/с;

      h = 0,85 - коэффициент полезного действия насоса;

     DP - полный напор, кПа.

2.7. Определение размеров патрубков:

Для воды (входной и выходной патрубки).

2.7.1 Вычисляем площадь сечения патрубка

.

2.7.2. Определяем диаметр патрубка

Патрубок для входа пара.

2.7.3. Принимаем скорость пара в патрубке w = 30 м/с. Вычисляем площадь сечения патрубка


где

      – массовый расход пара, ;

– плотность пара при средней температуре пара, ,

2.7.4. Определяем диаметр патрубка по формуле

 

 


Патрубок для выхода конденсата.

2.7.5. Принимаем скорость конденсата в патрубке wк = 3 м/с. Плотность конденсата находится при температуре насыщения пара , . Вычисляем площадь сечения патрубка по выражению

2.7.6. Определяем диаметр патрубка по формуле

Патрубок для откачки воздуха.

2.7.7.Принимаем расход воздуха Gв' = 0,05 Dп, кг/с

Gв' = 0,05 Dп = 0,05×7,69 =0,3845, кг/с

Скорость воздуха wв = 8 м/с. Вычисляем площадь сечения патрубка по выражению (2.2).

2.7.8. Определяем диаметр патрубка по формуле

 

 

Обобщение результатов расчета.

В результате проведенных расчетов разработан подогреватель, имеющий следующие характеристики:

1. Расход воды       181м3/ч;

2. Расход греющего пара      6,73 кг/с

3. Температура:

воды на входе      11 оС

воды на выходе     81°С

пара на входе      166°С

4. Размеры подогревателя:

внутренний диаметр корпуса   780 (800) мм

толщина стенок корпуса    4 мм

высота трубок     3200 (3000) мм

5. Число ходов      3

6. Число трубок      273 (301)шт.

7. Поверхность нагрева      84,94 (90) м2

8. Необходимая мощность насоса    0,36 кВт.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 


 

3. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ.

Произведем расчет основных узлов и деталей аппарата на прочность. Конструкция и элементы аппаратов должны рассчитываться на наибольшее допускаемое рабочее давление с учетом возможных температурных напряжений, особенностей технологии изготовления деталей, агрессивности действия рабочей среды и особенностей эксплуатации.

    1. Определим толщину стенки кожуха.

где

      р – расчетное давление (давление греющего пара), Па;

      sдоп – допускаемое напряжение, Па, sдоп = 132,2 МПа                 

      jсв – коэффициент прочности сварного шва; jсв = 1

      C – прибавка на минусовые допуски проката, коррозию и др., м,

 

Выбираем стандартную  толщину кожуха, близкую к полученному  значению - мм.

3.2. Производим расчет толщины эллиптического днища. Исходя из условия технологичности изготовления, принимаем предварительно dд = dк = 4 мм, тогда толщина стенки днища, имеющего отверстие, определяется по выражению