Расчет пароводяного теплообменного аппарата

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра теплотехники, теплогазоснабжения и вентиляции

КУРСОВАЯ РАБОТА

Расчёт пароводяного теплообменного аппарата

Выполнил: студент(ка) группы БС-X-XX

И.И. Иванов

Проверил: доцент кафедры ТиТГВ

И.И. Сидоров

Содержание

Введение

1. Исходные данные

2. Тепловой расчёт теплообменного аппарата

2.1 Предварительный расчет

2.2 Второе приближение

2.3 Расчет диаметра корпуса и штуцеров

3. Гидродинамический расчёт аппарата

4. Схема теплообменного аппарата

Список используемой литературы

Введение

Теплообменные аппараты (ТА) предназначены для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. Эти аппараты широко применяются в нефтедобывающей, газовой, нефтеперерабатывающей и химической промышленности и участвуют в качестве основного технологического оборудования в процессах: нагрева, охлаждения, конденсации, испарения, очистки жидкости, газа, пара и их смесей.

По способу передачи тепла теплообменные аппараты делят на поверхностные и смесительные. В поверхностных аппаратах рабочие среды обмениваются теплом через стенки из теплопроводного материала, а в смесительных аппаратах тепло передаётся при непосредственном перемешивании рабочих сред.

Поверхностные теплообменные аппараты, в свою очередь, делятся на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативных аппаратах теплообмен между различными теплоносителями происходит через разделительные стенки.

При этом тепловой поток в каждой точке стенки сохраняет одно и то же направление. В регенеративных теплообменниках теплоноситель попеременно соприкасается с одной и той же поверхностью нагрева. При этом направление теплового потока в каждой точке стенки периодически меняется.

Конструкции рекуперативные теплообменники весьма разнообразны: кожухотрубчатые; труба в трубе; пластинчатые; спиральные; специальные. Однако до 80% используемых ТА - кожухотрубчатые.

Кожухотрубчатые теплообменники достаточно просты в изготовлении, надежны в эксплуатации и универсальны, так как используются для теплообмена между газами, парами, жидкостями в любом сочетании теплоносителей в широком диапазоне давлений и температур. Эти аппараты изготавливают: с неподвижными трубными решетками и жестким кожухом (тип Н); с неподвижными трубными решетками и температурным компенсатором на кожухе (тип К); U-образными теплообменными трубами (тип У); с плавающей головкой (тип П).

Кожухотрубчатые теплообменники по трубному пространству бывают одно- и многоходовыми. Увеличение числа ходов теплоносителя позволяет интенсифицировать теплоотдачу в трубном пространстве. Поэтому одноходовые теплообменники используют в случаях, когда процесс теплообмена лимитируется величиной коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве, а многоходовые соответственно, наоборот, когда теплообмена лимитируется величиной коэффициента теплоотдачи в трубном пространстве.

Задачей курсовой работы является тепловой и гидравлический расчет вертикального четырехходового кожухотрубчатого теплообменника, предназначенного для нагрева воды водяным насыщенным паром.

1. Исходные данные

Определить величину поверхности теплообменника и основные размеры вертикального четырёхходового трубчатого теплообменника, предназначенного для нагрева воды от t^/₂, до t^//₂. Вода движется внутри латунных трубок со скоростью ₂, коэффициент теплопроводности трубок л_лат, наружный диаметр d₁, внутренний - d₂. Греющим теплоносителем является сухой насыщенный водяной пар с давлением P, и скоростью ₁, который конденсируется на внешней поверхности трубок. Количество передаваемой теплоты Q. Потери теплоты в окружающую среду не учитывать.

Исходные данные:

- начальная температура воды t^/₂ = 35єC;

- конечная температура воды t^//₂ = 95 °C;

- скорость воды в трубках ₂ = 0,7 м/с;

- коэффициент теплопроводности трубок л_лат = 102 Вт/(мК);

- наружный диаметр трубок d₁ = 16 мм;

- внутренний диаметр трубок d₂ = 14 мм;

- давлением греющего пара P = 0,143 МПа;

- скорость пара ₁ = 10 м/с;

- количество передаваемой теплоты Q = 2400 кВт.

Потери теплоты в окружающую среду не учитывать.

2. Тепловой расчет теплообменного аппарата

По справочным данным [1, прил. 4] для насыщенного пара при давлении P = 0,143 МПа находим:

- температуру насыщения 110 ^оС;

- энтальпию h^// = 2691,4 кДж/кг.

Конденсат греющего пара при этом давлении имеет:

- энтальпию h^/ = 461,4 кДж/кг;

- число Прандтля Pr₁ = 1,6.

Средняя температура воды в теплообменнике составляет

65^оС.

При этой температуре вода по данным [1, прил. 3]

- плотность ₂ = 980,5 кг/м³;

- теплоемкость с₂ = 4,183 кДж/(кг·К),

- кинематическую вязкость v₂ = 0,442?10-⁶ Па•с,

- теплопроводность ₂ = 0,655 Вт/(мК);

- число Прандтля Pr₂ = 2,75.

Расход греющего пара определим из уравнения теплового баланса

1,08 кг/с.

Расход воды из уравнения теплового баланса составляет

9,6 кг/с.

Среднелогарифмический напор в теплообменнике определим в соответствии с температурной схемой, представленной на рисунке.

Среднелогарифмический напор составляет

t_ср = = 37,3 ^оС.

Температурная схема теплообменника

2.1 Предварительный расчет

Примем в первом приближении температуру стенки со стороны греющего пара равной

91,4 ^оС.

Также предварительно зададимся высотой трубок Н_т = 1,25 м.

Приведенную высоту поверхности определим по формуле

Z = (t_s - t_ст1)H_тА,

где А = 60,7 1/(мК) - комплекс теплофизических величин конденсата при температуре насыщения 110 ^оС [1, прил. 6].

Подставив численные значения, получим:

Z = (110 - 91,4)1,2560,7 = 1411 2300,

а значит, режим течения конденсата ламинарный. Число Рейнольдса для конденсата в этом случае определим по формулы

,

где В = 0,00695 1/(мК) - комплекс для воды при температуре насыщения 110 ^оС [1, прил. 6]; Pr_ст1 = 1,92 - число Прандтля для конденсата при температуре стенки 91,4 ^оС [1, прил. 3].

Подставив численные значения, получим:

1039.

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке трубок определим из выражения

. (1)

Решая относительно ₁, получим:

 6430 Вт/(м²К).

Число Рейнольдса для воды равно

Re₂ 10⁴,

а значит, режим течения воды турбулентный. Критериальное уравнение теплоотдачи в этом случае имеет вид

, (2)

где Pr_ст2 - число Прандтля для воды при температуре стенки t_ст2.

Примем температуру стенки трубок со стороны воды t_ст2 по условию

90,4 ^оС.

При этой температуре по данным [1, табл. 3] Pr_ст2 = 1,94.

Подставив численные значения в формулу (2), получим:

106,1.

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубок к воде равен

₂ = 4964 Вт/(м²К).

Толщина стенки трубок составляет

1 мм.

Коэффициент теплопередачи определим по уравнению аддитивности термических сопротивлений

К = .

Подставив численные значения, получим:

К = = 2726 Вт/(м²К).

Приняв коэффициент использования поверхности = 0,75, найдем действительный коэффициент теплопередачи

К_д = К = 0,752726 = 2045 Вт/(м²К).

Средняя плотность теплового потока равна

102 кВт/м².

В первом приближении поверхность теплообмена составляет

23,5 м².

Число трубок одного хода теплообменник найдем по формуле

90.

Общее число трубок в четырехходовом теплообменнике равно

360.

Найдем средний диаметр трубок

15 мм.

Высоту трубок определим по формуле

.

Подставив численные значения, получим:

1,39 м.

Расчетные температуры стенок трубок равны:

- со стороны пара

t_{ст 1} = t_s - = 110 - 94,1 ^оС;

- со стороны воды

t_{ст 2} = t_ст1 - = 94,1 - 93,1 ^оС.

Отличие полученных значений Н_т, t_ст1 и t_ст2 от ранее принятых составляет:

- высота трубок

11,9%;

- температура стенки t_ст1

2,87%;

- температура стенки t_ст2

2,9%.

Отличие полученных величин превышает 1%, поэтому приняв Н_т = 1,37 м, t_ст1 = 94,1 ^оС и t_ст2 = 93,1 ^оС за расчетные и расчет повторим.

2.2 Второе приближение

Используя новые значения величин, найдем для пара:

- приведенную высоту поверхности

Z = (110 - 94,1)1,3760,7 = 1322 2300;

- число Рейнольдса для конденсата при Pr_ст1 = 1,86 [1, прил. 3]

995;

- коэффициент теплоотдачи

6572 Вт/(м²К).

Для воды получаем:

- число Нуссельта при Pr_ст2 = 1,88

106,9;

- коэффициент теплоотдачи

₂ = 5001 Вт/(м²К).

Общие показатели процесса:

- действительный коэффициент теплопередачи

К = = 2072 Вт/(м²К);

- средняя плотность теплового потока

103 кВт/м².

- поверхность теплообмена

23,3 м².

- высота трубок

1,37 м.

- температуры стенок

t_ст1 = 110 - 94,3 ^оС;

t_ст2 = 94,3 - 93,3 ^оС.

Отличие полученных значений Н_т, t_ст1 и t_ст2 от принятых во втором приближении составляет:

- высота трубок

0%;

- температура стенки t_ст1

0,21%;

- температура стенки t_ст2

0,2%.

Отличие полученных величин менее 1%, поэтому расчет заканчиваем. Таким образом, окончательно имеем:

- поверхность теплообмена F = 23,3 м²;

- высоту трубок теплообменника Н_т = 1,37 м.

Примем шаг между трубок по условию

24 мм.

2.3 Расчет диаметра корпуса и штуцеров

Внутренний диаметр корпуса теплообменника определим по формуле

647 мм.

Округлим до целого значения D = 650 мм.

Диаметры патрубков для подачи теплоносителей в аппарат определим из уравнения расхода

. (3)

Подставив численные значения, получим:

- паровой патрубок (_п1 = 0,826 кг/м³ при 110 ^оС [1, прил. 4] и = 15 м/с)

= 0,332 м;

- патрубок для конденсата (₁ = 951 кг/м³ при 110 ^оС [1, прил. 4] и ₁ = 0,5 м принята, как для самотечного трубопровода)

= 0,054 м;

- патрубки для воды

 = 0,133 м.

По полученным значениям диаметров примем ближайшие стандартные значения труб по ГОСТ 10704-91 [1, прил. 5]:

- паровой патрубок d_y300 3254 мм;

- патрубок конденсата d_y50 572,5 мм;

- патрубки для воды d_y150 1593,5 мм.

3. Гидродинамический расчет аппарата

Расчету подлежит трубное пространство теплообменника, по которому движется вода.

Коэффициент трения в трубном пространстве определим по формуле

0,0228.

Потери давления на трение в трубном пространстве с учетом числа ходов равны

Р_тр = 2144 Па.

Потери давления в местных сопротивлениях трубного пространства определим по формуле

Р_мс = , (4)

где _мс - сумма коэффицентом местных сопротивлений в трубном пространстве.

В трубном пространстве имеют место следующие местные сопротивления [1, прил. 7]:

- удар и поворот потока во входной и выходной камерах

о₁ = 21,5 = 3;

- вход воды из камер в трубки и выход ее из трубок в камеры (с учетом числа ходов)

о₂ = 81 = 8;

- поворот на угол180° в камерах (учетом числа ходов)

о₂ = 32,5 = 7,5;

- сумма коэффицентом местных сопротивлений

_мс = 3 + 8 + 7,5 = 18,5.

Тогда по формуле (4) имеем

Р_мс = 4444 Па.

Общее гидравлическое сопротивление движению воды в трубном пространстве равно

Р = Р_тр + Р_мс = 2144 + 4444 = 6588 Па.

Мощность, необходимую для перемещения воды, определим по формуле

0,13 кВт,

где _н = 0,5 - средний КПД центробежного насоса.

4. Схема теплообменного аппарата

теплообменник кожухотрубчатый гидравлический тепловой

На схеме изображен кожухотрубчатый теплообменник с плавающей головкой.

Аппарат состоит из греющей камеры 1, распределительной камеры 2 и нижней крышки 3. Трубный пучок заканчивается плавающей головкой 4. Внутри распределительной камеры установлены 2 перегородки 5 (одна перегородка есть и плавающей головке) для создания четырехходовости по трубному пространству. Аппарат устанавливается на межэтажном перекрытии с помощью опор-лап 6.

Аппарат работает следующим образом. Холодная вода подается в теплообменник через штуцер А в трубное пространство. Пройдя первый ход, раствор в плавающей головке 3 поворачивает на 180^о и поступает во второй ход теплообменника. В верхней крышке этот поток поворачивает опять на 180^о и двигается по третьему ходу трубок. Повернув в плавающей головке на 180^о, вода попадает в четвертый ход теплообменника. При движении в трубном пространстве вода получает тепло от конденсирующегося в межтрубном пространстве насыщенного водяного пара. Нагретая вода выходит из теплообменника через штуцер Б.

Насыщенный водяной пар поступает в межтрубное пространство через штуцер В и конденсируется на всей наружной поверхности трубок. Конденсат греющего пара стекает по трубкам и выводится из межтрубного пространства через штуцер Г.

Кроме этого в конструкции теплообменника предусматриваются воздушки для соединения аппарата с атмосферой в моменты пуска и после остановки, а также сливные пробки для опорожнения аппарата.

Список используемой литературы

1. Михайленко, Е.В. Тепловой и гидравлический расчёт теплообменного аппарата: метод. Указания / Е.В. Михайленко. Ухта: УГТУ, 2013. 36 с.

2. Исаченко, В. П. Теплопередача / В. П. Исаченко, В. А. Осипова, А. С. Сукомел. М.: Энергия, 1975. 488 с.

3. Левин, Б. И. Теплообменные аппараты систем теплоснабжения / Б.И. Левин, Е.П. Шубин. М.; Л.: Энергия, 1965. 256 с.

Размещено на Allbest.ru

...