В данной работе осуществляется расчет схемы отпуска теплоты от сетевой установки в различных режимах: номинальный режим, режим работы сетевой установки при минимальной температуре наружного воздуха и летний режим работы установки.

1. Построение графиков зависимости тепловой нагрузки потребителя, температуры обратной и прямой сети, расхода сетевой воды через установку от температуры наружного воздуха

Минимальная температура наружного воздуха

Исходные данные для расчета:

Номинальный расход можно найти по формуле:

h'= 550.66 кДж/кг

h"= 2721.66 кДж/кг

r = h" - h' =2721.66 - 550.66 = 2181 кДж/кг

Запишем уравнение теплового баланса:

Для расчета необходимо задаться тремя различными значениями расхода НСП:

Из данного уравнения найдем :

Недогрев

Запишем формулу Стадолы-Флюгеля:

Рис. 9. - График зависимости давления в нижнем сетевом подогревателе от расхода пара в НСП

Расчет схемы сетевой установки на летний режим работы

Исходные данные:

По находим

кДж/кг

3. Проектирование сетевого подогревателя

3.1 Тепловой расчет и конструкторский расчет сетевого подогревателя

Задача проектного расчета состоит в определении при заданных параметрах номинального режима работы аппарата величины поверхности теплообмена, геометрических размеров теплообменника и его элементов, тепловых, гидравлических, прочностных и вибрационных характеристик аппарата.

Расчет гидродинамического сопротивления подогревателей сетевой воды выполняется для определения потерь давления сетевой воды в трубках поверхности теплообмена или пара в межтрубном пространстве при различных расходах теплоносителей.

Исходные данные для расчета:

Для турбоустановки Т-250-240 выбираем сетевой подогреватель ПСГ-5000-2,5-8-I со следующими исходными данными:

Число ходов: 4

Толщина стенки: 1 мм

Материал трубок: сталь 12Х 18Н 10Т

лст= 16,3 Вт/(м 2*К)

tв 1=45°C;

tв 2=76°C;

Gсв=1927,66 кг/с = 6939,58 т/ч;

Gп=89,95 кг/с;

Максимальную тепловую нагрузку возьмем, как 50% от номинальной нагрузки на два сетевых подогревателя, равной 420 МВт.

Qтф=210МВт

w=2 м/с

Геометрические параметры

dн = 25мм = 0,025м;

Определяем средний коэффициент теплопередачи для всей поверхности теплообмена для горизонтальных сетевых подогревателей.

Далее к этому значению теплопередачи К 0 вводятся поправки на отклонение диаметра трубок вd на влияние эффективности работы воздухоохладителя вв и на степень технической чистоты трубок вч.

Где - коэффициент теплопередачи для технически чистых трубок;

Далее рассчитывается коэффициент теплопередачи с учетом теплопроводности материала трубок лст= 16,3 Вт/(м 2*К) для стали 12Х 18Н 10Т:

Определяется недогрев сетевой воды по формуле:

Далее определяется суммарная площадь проходного сечения для воды

Определим количество трубок в аппарате:

Вычисляем среднелогарифмическую разность температур:

Требуемую для заданных условий поверхность теплообмена можно определить из уравнения теплопередачи:

Температура стенки трубок поверхности теплообмена подогревателя рассчитывается по формуле:

Разность температур между греющим паром и стенкой составляет:

Далее вычисляется величина критической разности температур:

Критическая разность температур получилась меньшей, чем разность температур между паром и стенкой трубок (3,25<13,3). Следовательно, имеет место смешанное течение пленки конденсата по поверхности трубок.

Определяется длина трубок поверхности теплообмена:

Диаметр трубной доски:

Где

- шаг между трубами,

;

- коэффициент заполнения трубной доски, расположение труб в трубной доске характеризуется коэффициентом ее заполнения , равный 0,7

Диаметр патрубков для входа и выхода воды:

Где

- принятая скорость воды в патрубках, равная 2 м/с;

- плотность пара при средней температуре, равной, 60,5 °С.

Принимаем стандартный диаметр dнS = 1020 x 12 и уточняем скорость:

Диаметр патрубка для подвода пара:

Где

- принятая скорость пара в подводящем патрубке, равная 50 м/с;

- плотность пара при PНСП=0,04 МПа и tн =81 °C, равная 0,24 кг/м 3

Следовательно, два патрубка подогревателя для подвода пара имеют диаметр 1,51 м

Диаметр патрубка для отвода конденсата:

Где

- принятая скорость воды в патрубке для отвода конденсата, равная 0,5 м/с;

- плотность воды.

Принимаем стандартный диаметр dкS = 478 x 10.

Средняя температура воды в трубках поверхности теплообмена:

Физические параметры воды, определенные по ее средней температуре:

- коэффициент теплопроводности л = 0,682 Вт/(м·К);

- коэффициент кинематической вязкости н = 0,457·10-6;

- число Прандтля Pr = 2,84

3.2 Гидродинамический расчет сетевого подогревателя

Определяем число Рейнольдса для потока воды в патрубках:

Коэффициент сопротивления трения:

Суммарный коэффициент сопротивления участка входа

Где

- местное сопротивления поворота во входной и выходной камерах, принятое равным 1,5

Потеря давления сетевой воды на участке входа

Коэффициент сопротивления трения в трубках в трубках подогревателя:

Где

- местное сопротивления входа в трубки из камеры, принятое равным 0,5

местное сопротивления выхода из трубок в камеру, принятое равным 1

- местное сопротивления поворота потока, принятое равным 2,5[3]

Потеря давления сетевой воды на втором участке:

Общее гидравлическое сопротивление подогревателя

3.2 Расчет на прочность подогревателя сетевой воды ПСГ-6000

Расчет цилиндрической обечайки (корпуса).

Допустимое напряжение стали Ст. 3сп при температуре стенки tст=67,7°С

- номинальный внутренний диаметр цилиндра

Номинальная толщина стенки цилиндрической обечайки корпуса

Где

- расчетное давление, МПа;

- расчетный коэффициент прочности сварного шва, принятый равным 0,65;

С учетом поправки принимаем номинальную толщину стенки равной:

= 0,009 м

Данная формула справедлива при условии: , что в нашем случае выполняется.

Где С - прибавка к расчетной толщине стенки, равная -0,001 [Галашов]

Затем определяется максимально допустимое избыточное рабочее давление среды в подогревателе:

При поверочном расчете определяется действующее напряжение:

Наибольший допускаемый диаметр неукрепленного отверстия определяется по формуле:

Поскольку диаметр отверстий в обечайке больше, чем , отверстия нуждаются в укреплении патрубками - штуцерами. Наименьшая толщина стенки штуцера, необходимая для восприятия внутреннего давления, рассчитывается по формуле:

Фактическая толщина стенки патрубка

Где

- внутренний диаметр патрубка;

- наружный диаметр патрубка.

Высота укрепляющего патрубка-штуцера определяется по зависимости:

Расчет выпуклых крышек и днищ

Высота цилиндрической части днища h обычно принимается равной 0,25D.

Радиус кривизны в вершине днища равен:

Следовательно, тип днища - сферическое, так как

Номинальная толщина стенки выпуклого днища:

С учетом поправки принимаем толщину стенки выпуклого днища, равной 0,09м.

Определяется максимально допустимое рабочее давление по соотношению:

Расчет болтов и шпилек фланцевого соединения

Диаметр шпилек для рабочих условий определяем по табл 7.3 [1]

Выбираем шпильки М 20 с диаметром 20 мм. Допустимое напряжение материала шпилек при температуре стенки поверхности теплообмена подогревателя, равной 67,7 °С согласно табл. 7.2 составляет 203,56 МПа. Поправочный множитель к величине допускаемого напряжения равный:

Окончательная величина допускаемого напряжения: . Примем величину диаметра отверстия под шпильки d0 = 23мм.

Значение шага шпилек lш выбирается, исходя из опыта эксплуатации и с учетом значения диаметра отверстия под шпильки, и должно находиться при величине расчетного давления в пределе: при P < 2,5 МПа

Расчетное количество болтов или шпилек определяется по формуле:

Где

- диаметр болтовой окружности;

- наружный диаметр прокладки;

- толщина прокладки, принятая равной 5 мм;

- ширина прокладки, равная 0,012 м;

Расчетный диаметр прокладки определяется по формуле:

Минимальное усилие на прокладку

Где

- эффективная ширина прокладки;

Растягивающее усилие в шпильках:

Расчетное усилие, воспринимаемое шпильками в рабочих условиях:

Напряжение в шпильках в рабочих условиях вычисляется по соотношению:

Что не превышает величину допустимого напряжения.

Расчет фланцев

Необходимые для расчета наружного диаметра фланца размеры найдем по табл. 7.9 [1] в зависимости от размера шпилек:

е = 0,035 м;

2а 1 = 0,006 м.

Наружный диаметр фланца определяется по формуле:

Толщину плоского приварного фланца определяем из соотношения:

Рассчитываем плечи моментов сил, действующих на фланец:

Изгибающий момент от усилий, действующих в рабочем состоянии, определяется по формуле:

Момент сопротивления плоского фланца рассчитывается по формуле:

Где

- редуцированный диаметр отверстия

Напряжение в теле фланца определяется по соотношению:

Что значительно меньше величины допускаемого напряжения .

Расчет термических напряжений

Сила взаимодействия между корпусом и трубками за счет температурных расширений:

Где - модули упругости материала корпуса и трубок, MПа;

Fк, Fт - площадь поперечного сечения корпуса аппарата и его трубок

ак, ат - коэффициенты линейного расширения трубок и корпуса аппарата, 1/°С

Дtк - разность между рабочей температурой корпуса и температурой окружающей среды:

°С

Дtт - разность между рабочей температурой трубок и температурой окружающей среды в момент изготовления аппарата:

°С

Осевая сила, растягивающая корпус и трубки и возникающая под действием давления среды:

Напряжения, возникающие от совместного действия давления сред и разности их температур:

Для корпуса

Для трубок

Рассчитанные напряжения превышают допустимые, следовательно, есть необходимость в установке компенсирующих устройств.

Расчет линзовых компенсаторов

Принимаем диаметр линзового компенсатора по таблице основных размеров стальных линзовых компенсаторов [1] при внутреннем диаметре корпуса, равном 4м: D=4,3м.

Осевая реакция компенсатора при принятой толщине линзы определяется по формуле:

Где

-длина трубок и кормуса аппарата, м;

ак, ат - коэффициенты линейного расширения трубок и корпуса аппарата, 1/°С

Дtк - разность между рабочей температурой корпуса и температурой окружающей среды:

 °С

Дtт - разность между рабочей температурой трубок и температурой окружающей среды в момент изготовления аппарата:

°С

- диаметр корпуса, м

Деформация одной линзы компенсатора:

Компенсирующая способность компенсатора примерно пропорциональна количеству линз в нем. Расчетное число линз в нем можно определить из выражения:

Напряжение в компенсаторе при его деформации под действием силы равно:

Мпа

Что значительно меньше допустимого напряжения стали корпуса.

Расчет трубных досок

Сначала производится расчет толщины трубной доски:

Расчет корпуса и днищ аппарата на устойчивость

Целью расчета является определение критического давления, при котором аппарат может утратить свою цилиндрическую форму и стать эллиптическим или волнообразным. Проведем расчет при скорости пара 10 м/с.

Критическая длина тонкостенной оболочки вычисляется по формуле:

- средний диаметр оболочки,

При 0,5< L < Lкр критическое напряжение определим по формуле:

Критическое давление найдем по формуле:

Допустимое с точки зрения устойчивости наружное давление равно:

Где коэффициент

Коэффициент запаса устойчивости равен:

Вибрационный расчет

Расчет частоты собственных колебаний трубок пучка

Рассчитываем массу погонного метра длины трубки:

Массы воды в погонном метре длины трубки:

Для определения присоединенной массы теплоносителя с наружной стороны трубки необходимо рассчитать характеристику пучка:

Тогда коэффициент присоединенной массы

Присоединенная масса пара:

Полная масса погонного метра длины трубки:

Момент инерции поперечного сечения трубки:

Частотный коэффициент б при первой форме колебаний определяем для четырехпролетной трубки: б = 3,393

Частота собственных колебаний:

Требование по отстройке частоты выполняется.

Расчет амплитуды колебаний

Вычисляем по таблицам теплофизических свойств воды и водяного пара при расчетных условиях: - динамическая вязкость пара; - кинематическая вязкость пара.

Находим число Рейнольдса

При характеристике пучка S1/S2 = 32.5/22 по [рис. 7,13 Бродов] определяем сначала величину ч = 1,06, а затем величину ??/ч=0,2, откуда находим коэффициент гидравлического сопротивления пучка: ??=1,06·0,2=0,212

Далее находим коэффициент аэрогидродинамического демпфирования при колебаниях одиночной трубки в неограниченном объеме теплоносителя:

Вычисляем коэффициент аэродинамического деспфирования по формуле:

Теперь можно рассчитать аэрогидродинамическую составляющую демпфирования

Скорость пара в узком сечении пучка:

Соответствующее число Рейнольдса:

Далее находиться число Струхаля:

Частота срыва вихрей:

Максимальная амплитуда вихревых колебаний трубок в середине пролета:

Безразмерная частота определяется по соотношению:

Величина G(, или безразмерный нормированный энергетический спектр пульсации скорости, определяются по рис 7.14[1]

Максимальная амплитуда вибрации середины пролета трубки при возбуждении турбулентными пульсациями потока рассчитывается по формуле при значении коэффициента лобового сопротивления сD = 0.26

Полная максимальная амплитуда вибрации пролета:

Условие отсутствия соударений выполняется, так как

Осевой момент сопротивления:

Максимальное напряжение в металле трубки:

Значение максимальное напряжение в металле трубки значительно меньше допускаемого напряжения.

4. Результаты расчета

Заключение