Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

1. Тепловой расчет

1.1 Расчет геометрических характеристик экономайзера

1.1.1 Определение живых сечений для потоков воды и газа

1.1.2 Определение коэффициента оребрения труб

1.1.3 Определение поверхности теплообмена по воде и газу

1.2 Расчет коэффициентов теплоотдачи

1.2.1 Определение средних значений температуры воды и газа

1.2.2 Определение коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к воде

1.2.3 Определение коэффициента теплоотдачи конвекцией от газа к оребренным трубкам

1.2.4 Определение коэффициента теплоотдачи излучением от газовой среды к оребренным трубам

1.3 Расчет теплового потока по уравнению теплопередачи

1.4 Определение теплового потока, переданного от газа к воде

2. Гидродинамический расчет

2.1 Полное сопротивление теплообменника по тракту каждого теплоносителя

2.2 Потери трения и охлаждения газа

2.3 Потери трения при движении воды в трубах

2.4 Потери напора, связанные с местными сопротивлениями при движении воды в трубах

Литература

Введение

В соответствии с методическими указаниями выбираем вариант конструкции экономайзера - экономайзер типа ВТИ, вариант исходных данных для заданной конструкции экономайзера - вариант №3.

В данной курсовой работе проводится поверочный расчёт экономайзера типа ВТИ, схема которого представлена на рисунке 1.

Экономайзер представляет собою теплообменный аппарат рекуперативного типа, предназначенный для нагревания воды с использованием теплоты уходящих газов из парового котла или какого-либо технологического агрегата.

Газы (продукты горения органического топлива) двигаются в экономайзере сверху - вниз, а нагреваемая в трубах вода - снизу вверх, кроме того, трубы располагаются горизонтально, т.е. имеет место противоточно-перекрестное движение воды и газов.

Экономайзер ВТИ выполнен из литых чугунных оребренных труб. На концах трубы имеют квадратные фланцы, которые при сборке экономайзера образуют две стенки газохода.

Газоплотность этих стенок обеспечивается прокладкой уплотнительного шнура в торцевые канавки фланцев. Таким образом, в экономайзерах этого типа используется коридорный пучок труб.

Один размер газохода определяется длиной трубы за вычетом толщины двух фланцев, а шаг труб по фронту и в глубину пучка определяется размером фланца.

Второй размер газохода определяется числом труб в горизонтальном ряду n и шагом S1.



Рисунок 1 - Схема экономайзер

Размеры газохода:

(1)

(2)

В экономайзере ВТИ, предназначенном для технологических котлов средней производительности, вода из нижнего коллектора поступает параллельно в n труб с внутренним диаметром d1=60мм.

Ориентировочно примем диаметр коллектора:

(3)

Исходные данные:

Расход воды Мв=65 т/час = 18,05 кг/с;

Давление воды Р в=22 бара;

Температура воды на входе в экономайзер t'в=90 ^оС;

Температура газа на входе в экономайзер t'г=450 ^оС;

Скорость газа на входе в экономайзер Wго=9,5 м/с;

Число труб в горизонтальном ряду n=14 шт.;

Число рядов труб по ходу газа m=12 шт.;

Шаг труб по фронту пучка S1=0,150м;

Шаг труб в глубину пучка S2=0,146 м;

Внутренний диаметр трубы экономайзера d1=0,060 м;

Внешний диаметр трубы экономайзера d2=0,076 м;

Шаг рёбер t=0,025 м;

Толщина ребра 2д=0,008 м;

Высота ребра h=0,035 м;

Длинна трубы А=2,5 м;

1. Тепловой расчет

1.1 Расчет геометрических характеристик экономайзера

1.1.1. Определение живых сечений для потоков воды и газа

Живое сечения для потока воды:

fв = n=14=0,04 м², (4)

где n - число параллельно включенных труб;

d1 - внутренний диаметр трубы экономайзера.

Для определения коэффициента теплоотдачи от газового потока к оребренным трубам необходимо определить скорость газового потока в самом узком сечении (живом сечении) потока.

Живое сечение для потока газа:

м²,(5)

где А, В - размеры газохода в свету для сечения, нормального направлению потока газа;

К3 - коэффициент загромождения сечения газохода, учитывающий сужение сечения потока за счет наличия труб и ребер.

Коэффициент загромождения определяется по геометрическим размерам оребренных труб для одного шага по фронту потока и между ребрами:

, (6)

где S1=150 мм - шаг труб по фронту пучка;

d2=76 мм - наружный диаметр, несущий ребра;

t=25 мм - шаг ребер; д=4 мм - полутолщина ребра постоянного сечения;

h - высота ребра, которая для экономайзеров с круглыми ребрами

,(7)

где а=146 мм - сторона ребра.

1.1.2 Определение коэффициента оребрения труб

Коэффициент оребрения определяют как отношение оребренной поверхности трубы по газу на участке шага ребер к поверхности по воде, т.е.:

,(8)

где fp - полная поверхность одного ребра с учетом его торцевой поверхности.

Для квадратного ребра полная поверхность ребра:

(9)

где а - сторона ребра.

1.1.3 Определение поверхности теплообмена по воде и газу

Поверхность теплообмена со стороны воды:

,(10)

где La - полная активная длина труб, т.е. длина труб, омываемая газом.

Если принять, что размер газохода А соответствует стороне, параллельной оси труб, то активная длина труб может быть определена как:

,(11)

где m, n - число труб в горизонтальном ряду и рядов труб по ходу газа соответственно.

При известной поверхности теплообмена со стороны воды и рассчитанном коэффициенте оребрения поверхность теплообмена со стороны газа:

(12)

1.2 Расчет коэффициентов теплоотдачи

1.2.1 Определение средних значений температуры воды и газа

В уравнения теплового расчета экономайзера входят три неизвестные величины: температура теплоносителей на выходе t'г, t'в и передаваемый тепловой поток Q.

Так как уравнений всего два - теплового баланса и теплопередачи, то решение может быть найдено только иттерационным путем.

Предварительно зададимся температурой газа на выходе из экономайзера . Средняя температура газа:

(13)

По средней температуре найдем теплоемкость газа:

.

Определяем тепловой поток, передаваемый от газа к воде:

,(14)

где массовый расход газа Мг определяется из уравнения неразрывности по заданной скорости газа на входе в экономайзер:

,(15)

где - плотность газа по температуре газа на входе (t'г=450⁰С).

Температура воды на выходе из экономайзера при принятой температуре t''г находится из уравнения теплового баланса (в предположении отсутствия потерь тепла)

(16)

тогда

(17)

Теплоемкость воды должна вычисляться по средней температуре, поэтому предварительно можно принять теплоемкость по заданной : .

(18)

Уточним теплоемкость при

.

(19)

Рассчитаем средние скорости каждого теплоносителя из уравнения неразрывности:

1) средняя скорость воды:

(20)

2) средняя скорость газа:

(21)

Плотности теплоносителей определяются по средней температуре для каждого теплоносителя: при ; при .

1.2.2 Определение коэффициента теплоотдачи от стенки трубы к воде

Учитывая, что интенсивность теплообмена со стороны воды примерно в 10раз выше, чем со стороны газа, даже с учетом оребрения последней, можно принять среднюю температуру стенки трубы:

(22)

Вычислим критерий Рейнольдса:

(23)

Найдем по таблице теплофизических характеристик воды критерий Прандтля по средней температуре воды и по принятой температуре стенки .

Рассчитаем критерий Нуссельта (обычно течение воды в трубках экономайзера турбулентное) из уравнения Михеева:

(24)

Коэффициент теплоотдачи из полученного значения критерия Нуссельта:

,(25)

где - коэффициент теплоотдачи воды при .

1.2.3 Определение коэффициента теплоотдачи конвекцией от газа к оребренным трубкам

Для ребристых труб, омываемых поперечным потоком газа, при расчете средних коэффициентов теплоотдачи можно использовать следующее критериальное уравнение (для коридорного пучка труб):

(26)

В уравнении (26) определяющим размером в критериях Nu и Re является шаг ребер t, а определяющей температурой - средняя температура газа, по которой определяем л, v, Prж. ; ; .

Критерий Рейнольдса:

(27)

Коэффициент теплоотдачи:

(28)

1.2.4 Определение коэффициента теплоотдачи излучением от газовой среды к оребренным трубам

Газовая среда, содержащая излучающие трехатомные газы, передает тепло поверхности труб экономайзера не только теплоотдачей, но и излучением. Исходя из определения коэффициента теплоотдачи по закону Ньютона-Рихмана, можно представить условный коэффициент теплоотдачи для лучистого теплообмена в виде:

,(29)

где qл - плотность теплового потока, передаваемого излучением от газовой среды к трубам.

Плотность теплового потока излучением от газа к стенке трубки:

(30)

Эффективная степень черноты стенки

,(31)

где степень черноты поверхности труб и ребер .

Степень черноты газов:

(32)

По номограммам в зависимости от средней температуры газа, эффективной длины пути луча и соответствующего парциального давления (; ) определяем , и поправочный коэффициент в=1,05

Состав газа, а, следовательно, и парциальные давления компонентов известны. Общее давление газа можно принять .

Эффективная длина пути луча:

,(33)

где V - излучающий газовый объем;

F - лучевоспринимающая поверхность.

Для экономайзера ВТИ с квадратными ребрами излучающий объем:

(34)

Лучевоспринимающая поверхность:

(35)

Поглощательная способность газа:

(36)

где и определяются по тем же номограммам при заданных порциальных давлениях, рассчитанной эффективной длине пути луча, но по температуре стенки .

Суммарный коэффициент теплоотдачи от газов к оребренной поверхности труб:

(37)

1.3 Расчет теплового потока по уравнению теплопередачи

Для расчета коэффициента теплопередачи кроме коэффициента оребрения необходимо определить эффективность ребра. Она учитывает распределение температуры по высоте ребра и численно равна отношению теплового потока, который передает ребро, к тепловому потоку, который ребро могло бы передать, если бы температура по высоте ребра была постоянна и равна температуре у основания.

Эффективность ребер з определяется по номограммам, где в качестве аргумента принимается для экономайзера ВТИ, имеющего квадратные ребра:

,(38)

где д - полутолщина ребра;

л - коэффициент теплопроводности ребер (можно принять для чугуна ).

Находим з=0,73.

В связи с тем, что предварительно принималась средняя температура стенки трубы по (22), истинную среднюю температуру стенки трубы определим из теплового баланса, согласно которому плотность теплового потока, переданного от стенки трубы воде, должна быть равна плотности теплового потока, переданного от газа к стенке трубы (с учетом оребрения)

(39)

(40)

Т.к. температура, рассчитанная по (40), практически совпадает с температурой, рассчитанной по (22), повторный расчет не требуется.

Коэффициент теплопередачи, отнесенный к погонному метру трубы:

(41)

В экономайзерах течение газа и воды осуществляется по схеме противотока. Кроме того, трубчатый пучок экономайзера располагается перпендикулярно потоку газовой среды.

гидродинамический теплообмен экономайзер

Поэтому средняя разность температур между газом и водой определяется как:

,(42)

где - поправка на перекрестное движение теплоносителей;

- средняя разность температуры при чистом противотоке.

Обозначив разности температур между теплоносителями на одном и другом конце экономайзера как и , средний температурный напор можно определить как:

(43)

Поправка на перекрестный ток определяется по номограмме в зависимости от параметров:

(44)

(45)

Однако для многократного перекрестного хода, что имеет место в экономайзерах, необходимо вместо параметра Р использовать

(46)

где m - число рядов труб по ходу газа.

По номограмме определяем .

Рассчитанный коэффициент теплопередачи и средняя разность температуры между газом и водой позволяют определить тепловой поток в экономайзере по уравнению теплопередачи

,(47)

где - активная длина труб.

1.4 Определение теплового потока, переданного от газа к воде

Найденный тепловой поток по (47) должен быть равен тепловому потоку по уравнению теплового баланса (16).

(48)

Расхождение тепловых потоков менее 5%, следовательно, расчёт можно считать оконченным.

2. Гидродинамический расчет

2.1 Полное сопротивление теплообменника по тракту каждого теплоносителя

Целью гидродинамического расчета является определение падения давления по тракту каждого теплоносителя. Падение давление теплоносителя совместно с его расходом определяет мощность привода для прокачки теплоносителя через аппарат.

Полное гидравлическое сопротивление слагается из следующих величин:

- потерь напора, обусловленных трением и отрывом пограничного слоя от поверхности;

- изменений давления, связанных с изменением скорости потока в результате нагревания или охлаждения;

- потерь напора на входе или выходе потока, обусловленных внезапным сужением или расширением потока;

- потерь напора в результате изменения направления потока при поворотах.

Первые два вида сопротивлений - линейные, т.к. распределяются по всей длине канала для теплоносителя, остальные - местные, т.к. локализуются на ограниченном участке тракта.

Если учесть специфику конструкции экономайзера, то его аэродинамическое сопротивление (потери напора по газовому тракту) слагается из потерь давления трения и потерь, связанных с охлаждением газа в канале, т.е.

(59)

При расчете гидравлического сопротивления экономайзера (потери давления по водяному тракту) можно пренебречь изменением давления вследствие изменения температуры воды из-за незначительного изменения ее плотности.

Тогда полное гидравлическое сопротивление экономайзера складывается из сопротивления трения при движении воды в трубах и местных сопротивлений, связанных с изменением направления движения воды в трубах и местных сопротивлений, связанных с изменением направления движения воды на поворотах, а также при входе воды из коллектора в трубы и выхода воды из труб в выходной коллектор, т.е.:

Па(60)

2.2 Потери трения и охлаждения газа

Потери напора, вызванные трением, при движении газа в пучках оребренных труб для коридорного пучка труб:

(61)

Изменение давления, связанное с охлаждением газа при прохождении пучка труб можно определить как:

,(62)

где - средняя абсолютная температура газа, К.

2.3 Потери трения при движении воды в трубах

Потери трения при течении воды в трубах экономайзера определяются по уравнению:

,(63)

где - коэффициент гидравлического сопротивления при ;

2.4 Потери напора, связанные с местными сопротивлениями при движении воды в трубах

Местные потери давления определяются по закону Дарс

,(64)

где _М - коэффициент местного сопротивления:

- коэффициент местного сопротивления при входе и выходе потока находим в зависимости от отношения площади сечения одной трубки к площади сечения коллектора: , ;

- коэффициент сопротивления при повороте потока

,

где определяется в зависимости от ; В=2,1.

Таблица 1 - Итоговая таблица расчета экономайзера

Наименование величины	Обозначение	Размерность	Данные
Активная длина труб	La	м	420
Коэффициент оребрения		-	8,93
Эффективность ребра		-	0,73
Сечение для воды	fв	м2	0,04
Сечение для газа	fг	м2	1,8
Средняя скорость воды		м/с	0,47
Средняя скорость газа		м/с	7,41
Расход воды	Mв	кг/с	18,5
Расход газа	Mг	кг/с	8,15
Коэффициент теплопередачи	Kl	Вт/(м2К)	49,76
Тепловой поток	Q	кВт	2480,94
Потери давления по воде	Pв	Па	437,78
Потери давления по газу	Pг	Па	89,71

Литература

1. Сидельковский Л.Н., Юреньев В.Н. Парогенераторы промышленных предприятий. - М.: Энергия, 1978.

2. Исаченко В.П. и др. Теплопередача. - М.: Энергия, 1981.

3. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление: Справ. Пособие. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Краснощеков Е.А., Сукомел А.С. Задачник по теплопередаче. - М.: Энергия, 1980.

Размещено на Allbest.ru

...