Курсовой проект - Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий

Подождите немного. Документ загружается.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ВОЛОГОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра теплогазоснабжения и вентиляции

Расчетно – пояснительная записка к курсовому проекту

по дисциплине:

« Тепломассообменное оборудование промышленных предприятий »

Вологда

2010

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 3

1. РАСЧЕТ СЕТЕВОЙ ВОДОПОДОГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ 4

1.1 Конструктивные особенности установки 4

1.2 Расчет пароводяного теплообменника 5

1.3 Расчет и подбор охладителя конденсата 9

2. РАСЧЕТ ПЛАСТИНЧАТОГО ТЕПЛООБМЕННИКА 13

2.1 Конструктивные особенности пластинчатых теплообменников 13

2.2 Расчет пластинчатого теплообменника 13

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 19

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 20

ВВЕДЕНИЕ

Теплообменными аппаратами (теплообменниками) называются устройства,

предназначенные для передачи теплоты от одного теплоносителя к другому. В качестве

теплоносителей в них используют пар, горячую воду, дымовые газы и другие тела.

По принципу действия и конструктивному оформлению теплообменники разделяются

на рекуперативные, регенеративные и смесительные.

В рекуперативных теплообменниках теплопередача от греющего теплоносителя к

нагреваемому происходит через разделяющую их твердую стенку, например стенку трубы.

Процесс теплообмена в них протекает обычно при стационарном режиме.

В зависимости от взаимного направления движения теплоносителей теплообменники

этого типа подразделяются на противоточные, прямоточные и перекрестные. Если

теплоносители движутся в противоположном направлении, то теплообменники называются

противоточными; при движении теплоносителей в одном направлении - прямоточными;

наконец, если теплоносители движутся в перекрестном направлении - перекрестными.

К числу рекуперативных теплообменников относятся паровые котлы, водонагреватели,

приборы системы центрального отопления и др.

В регенеративных теплообменниках процесс теплообмена происходит в условиях

нестационарного режима. В этих теплообменниках поверхность нагрева представляет собой

специальную насадку из кирпича, металла или другого материала, которая сначала

аккумулирует теплоту, а затем отдает ее нагреваемому теплоносителю.

В смесительных теплообменниках процесс теплообмена осуществляется при

непосредственном соприкосновении и перемешивании теплоносителей. Примерами такого

теплообменника являются башенный охладитель (градирня), предназначенный для

охлаждения воды воздухом.

Рекуперативные и регенеративные теплообменники называют поверхностными,

поскольку теплопередача в них связана с поверхностью нагрева или охлаждения, а

смесительные — контактными.

В данной курсовой работе необходимо разработать технический проект

водоподогревательной сетевой установки для производственной паровой котельной

(определение расходов нагреваемой сетевой воды и греющего пара; определение количества

пароводяных подогревателей и их расчет; выбор типоразмера и расчет охладителей

конденсата). Кроме того, выполнить расчет для пластинчатого теплообменника фирмы

«Альфа-Лаваль».

1. РАСЧЕТ СЕТЕВОЙ ВОДОПОДОГРЕВАТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

1.1 Конструктивные особенности установки

В различных отраслях промышленности, на транспорте, в энергетических установках и

в специальных установках новой техники применяется огромное количество разнообразных

теплообменных аппаратов. Наиболее широкое распространение получили кожухотрубные

теплообменники в настоящее время, которые являются не только индивидуальными

аппаратами, но и элементами различных теплообменных (выпарных, ректификационных,

холодильных) установках. Диапазон рабочих температур и давлений данных теплообменников

широк. Теплопередающая поверхность аппаратов может составлять от нескольких сотен

квадратных сантиметров до нескольких тысяч квадратных метров. Трубчатые элементы

представляют собой прямые или изогнутые трубы наружным диаметром d

нар

=12÷57 мм.

Площадь проходного сечения труб в два, три раза меньше площади сечения межтрубного

пространства. Для увеличения скорости теплоносителя и повышения эффективности

теплообмена в межтрубном пространстве устанавливают перегородки двух видов: опор -

полок (при проектировании теплообменника по ОСТ) и опор - сегментов (по ГОСТ). В

кожухотрубных секционных теплообменниках такие перегородки применяются также для

удаления прогиба трубок. Наиболее часто применяются латунные трубки внутренним

диаметром d

вн

=14мм гладкие или профилированные, которые обеспечивают турбулизацию

потока, что ведет к увеличению коэффициента теплоотдачи.

В зависимости от теплоносителя водоподготовительные установки делятся на

водоводяные и пароводяные теплообменники.

В пароводяных теплообменниках нагреваемой средой является вода, а греющей – пар,

который конденсируется в межтрубном пространстве. Температура пара обычно принимается

120-150

С. Конденсат с аналогичной температурой поступает в охладитель конденсат,

который представляет собой водоводяной теплообменник. При равных расходах

теплоносителей с одинаковыми фазовыми состояниями коэффициент теплоотдачи на

поверхности межтрубного пространства невысок, что снижает общий коэффициент

теплопередачи в аппарате. Теплообменники с поперечным током отличается повышенным

коэффициентом теплопередачи на наружной поверхности труб вследствие того, что

теплоноситель движется поперек трубного пучка и имеет отностельно повышенную скорость.

Таким же преимуществом обладают теплообменники с противотоком.

В пароводяных теплообменниках разность температур стенок корпуса и труб бывает

значительной. Рабочая длина труб в аппарате принимается равно 1м и 4м. Последняя

рекомендуется с производительностью до 300м

1.2 Расчет пароводяного теплообменника

1.2.1 Исходные данные

В данном курсовом проекте требуется сделать расчет и подбор пароводяного

подогревателя, исходя из следующих данных:

 Производительность установки Q

ВПСУ

= 11 ГДж/ч

 Максимальная температура пара t

пар

= 121

 Максимальная температура воды на выходе из пароводяного подогревателя

н2

= 111

 Максимальная температура конденсата на входе в охладитель конденсата

г1

= 121

 Максимальная температура конденсата на выходе из охладителя конденсата

г2

= 95

 Температура нагреваемой воды на входе в водоподогревательную установку

н1

= 70

По заданию сетевая водоподогревательная установка состоит из двух блоков, в состав

которых входят пароводяной теплообменник и охладитель пара.

1.2.2 Принципиальная схема сетевой водоподогревательной установки

Рис.1 Принципиальная схема сетевой водоподогревательной установки

ПВП – пароводяной подогреватель;

ОК – охладитель конденсата;

КО – конденсатоотводчик.

Производим расчет одного блока, производительность которого определяется по

формуле:

чГДж

ВПСУ

бл

/5,5



(1.1)

где Q

ВПСУ

– производительность установок, ГДж/ч;

Расход нагреваемой воды G

находим по формуле:

   

чт

ttc

нн

бл

/02,32

7011119,4

10005,5

1000













, (1.2)

где Q

бл

– теплопроизводительность блока, ГДж/ч;

c – теплоемкость, кДж/кг

С;

н1

, t

н2

– температура воды на входе и выходе из подогревателя.

Теплопроизводительность пароводяного подогревателя Q

ПВП

определяется по формуле:

 

чГДж

ttr

гпар

бл

ПВП

/238,5

951213,519

3,5195,5













, (1.3)

где Q

бл

– теплопроизводительность блока, ГДж/ч;

r – удельная теплота парообразования, r=525,4 ккал/кг;

пар

– температура пара,

С;

г2

– температура конденсата на выходе из охладителя конденсата,

С.

Расход пара G

определяется по формуле:

чт

ПВП

/379,2

4,52519,4

1000238,5

1000







(1.4)

Теплопроизводительность охладителя конденсата Q

ок

определяем по уравнению:

чГДжQQQ

ПВПблОК

/262,0238,55,5 

, (1.5)

где Q

бл

– теплопроизводительность блока, ГДж/ч;

ПВП

– теплопроизводительность подогревателя, ГДж/ч;

Температура нагреваемой воды в точке между охладителем конденсата и пароводяным

подогревателем t

пром

определяется по формуле:

Gс

ок

нпром

95,71

02,3219,4

10262,0

70 









, (1.6)

где t

н1

– температура нагреваемой воды на входе в водоподогреватель,

С;

- расход нагреваемой воды, т/ч;

ок

– теплопроизводительность охладителя конденсата, ГДж/ч;

c – теплоемкость, кДж/кг

С;

Выбор типоразмера пароводяного подогревателя производим по расчетной площади

сечения трубок, определяемой из формулы расхода воды:

расч

труб

fG 

222

6,3



, (1.7)

где G

- расход нагреваемой воды, т/ч;

– скорость нагреваемой воды, м/c;

– плотность нагреваемой воды, кг/м

;

Плотность определяется, исходя из выражения:

222

0036,006,03,1000 tt 



, (1.8)

где

- средняя температура воды,

С.

промн

475,91

95,71111











(1.9)

322

222

/78,964475,910036,0475,9106,04,10000036,006,03,1000 мкгtt 



Из формулы (1.7) выражаем

расч

труб

, принимая скорость нагреваемой воды ω

= 1 м/с

009219,0

78,96416,3

02,32

6,3

расч

труб









По таблице технических характеристик горизонтальных пароводяных подогревателей

по ОСТ 108.271.105 – 76 выбираем подогреватель ПП1 – 32– 7 – IV со следующими

характеристиками:

1. Диаметр корпуса D

корп

= 530 мм;

2. Число ходов z = 4;

3. Длина трубок L = 3000 мм;

4. Число трубок N

труб

= 232;

5. Площадь нагрева F

нагр

= 32,0 м

;

6. Площадь трубок

табл

труб

= 0,0090 м

;

7. Площадь межтрубного пространства

межтр

= 0,162 м

Используя табличные значения выполним пересчет скорости воды из формулы (1.7), м/c:

см

табл

труб

/02,1

69,9640090,06,3

02,32

6,3















Находим коэффициент теплопередачи при турбулентном движении воды внутри трубок:

 

грмчкДж

вн





2,0

8,0

2,0

8,0

222

/25380

014,0

02,1

475,91038,0475,9118121019,4

038,018121019,4





, (1.10)

где ω

– скорость нагреваемой воды, м/c;

- средняя температура воды,

С,

вн

– внутренний диаметр трубок, м.

Коэффициент теплоотдачи от пара к стенке определяется по формуле:

 

14,054,47432019,4

стпарнпр

плпл

ttdz









, (1.11)

где t

пл

– температура пленки,

С, определяем по уравнению

 

стпарпл

ttt  5,0

где t

пар

– температура пара,

С;

ст

– температура стенки, определяемая по формуле:

5,0 ttt

парст

где t

нас

– температура насыщенного пара,

С;

t

- температурный напор,

С, определяемый:

мб







где

t

определяем по температурному графику

Сttt

нпарм

10111121



Сttt

промпарб

05,4995,71121 

Сt

556,24

05,49

1005,49







Рис. 2 График температур

Сt

ст

72,1085,0556,24121 

 

Сt

пл

86,11472,1081215,0 

Подставляя полученные данные в формулу (1.11), найдем коэффициент теплоотдачи от

пара к стенке

 

грмчкДж 







/25270

72,108121016,0232,15

86,11414,086,11454,47432019,4



Расчетный коэффициент теплопередачи определяется по формуле для плоской стенки:















нак

ст

, (1.12)

где α

, α

– коэффициенты теплоотдачи от пара к стенке и от стенке к нагреваемой воде,

грмчкДж 

;

ст

, δ

нак

– толщина стенки и толщина слоя накипи, м;

ст,

нак

– коэффициенты теплопроводности для стенок труб и накипи,

грмчкДж /

грмчкДжk 













/7078

25380

219,4

0005,0

9019,4

001,0

25270

Уточненное значение температуры стенок трубок

пар

ст

221

24,106

2538025270

25380475,9125270121















Поскольку уточненное значение

ст

мало отличается от принятого для

предварительного расчета, то пересчета величины коэффициента теплоотдачи от пара к стенке

не производим.

Расчетная поверхность нагрева определяется по формуле, м

ПВП





, (1.13)

где Q

ПВП

– теплопроизводительность подогревателя, ГДж/ч;

k – коэффициент теплопередачи,

грчмкДж

;

Δt – температурный напор,

С.

Тогда расчетная площадь нагрева равна:

13,30

56,247078

10238,5

ПВП











Так как расчетная площадь нагрева меньше площади нагрева теплообменника, значит

подбор теплообменника сделан верно с запасом по нагреваемой поверхности.

Далее находим расход пара, т/ч:

 

ПВП











19,4

, (1.14)

где





- энтальпия пара и воды при температуре 121

С;

 

чтD /379,2

3,1217,64619,4

10238,5









Определяем гидравлические потери в подогревателе по формуле:

10002





























вн

тр

, (1.15)

где l – длина трубок, м;

z – число ходов;



- скорость нагреваемой воды, м/с;



- плотность нагреваемой воды, кг/м

;

тр



- коэффициент гидравлического трения, определяемый как:

25,0

11,0















вн

экв

тр



, (1.16)

где

экв

- коэффициент эквивалентной шероховатости внутренней поверхности трубы

ммK

экв

2,0

038,0

014,0

0002,0

11,0

25,0

















тр







- сумма местных сопротивлений, определяемая

1975,4475,4 





Подставим значения в формулу (1.15) и определим потери давления:

кПаp 88,25

10002

78,96402,1

014,0

43038,0























Для проверки правильности расчетов определим гидравлические потери в зависимости

от коэффициента загрязнения

3,2



 

232,0133,081,9



 zlp

тр

, (1.17)

где l – длина трубок, м;

z – число ходов;



- скорость нагреваемой воды, м/с;



- коэффициент загрязнения.

 

кПаp 67,5681,902,13,24232,03133,0



Эта формула показывает, что из-за загрязнения, образующегося на стенках труб, потери

давления возрастают в 2,2 раза.

1.3 Расчет и подбор охладителя конденсата

Охладитель конденсата представляет собой водоводяной теплообменник. В качестве

греющей среды используется конденсат с температурой на входе в теплообменник t

г1

= 121

С и

температурой на выходе из охладителя конденсата t

г2

= 95

С. Подбор и расчет охладителя

конденсата проводится аналогично подбору и расчету пароводяного теплообменника,

производится по площади сечения трубок, принимая скорость нагреваемой воды ω

= 1 м/с.

Плотность рассчитывается по формуле (1.8). Здесь средняя температура

определяется:

промн

98,70

95,7170











Тогда найдем плотность нагреваемой воды

222

/90,97798,700036,098,7006,03,10000036,006,03,1000 мкгtt

окок





Расход нагреваемой воды остается постоянным, определим расчетную поверхность

труб:

00909,0

90,97716,3

02,32

6,3

расч

труб













По таблице технических характеристик водоводяных подогревателей по ОСТ 34588-68

принимаем теплообменник №12, который имеет следующие конструктивные характеристики

1. Диаметр корпуса D

корп

= 219/207 мм;

2. Длина трубок L = 3000 мм;

3. Число трубок N

труб

= 64;

4. Площадь нагрева F

секц

= 12,00 м

;

5. Площадь сечения трубок

табл

труб

= 0,00985 м

;

6. Площадь межтрубного пространства

межтр

= 0,02079 м

;

7. Эквивалентный диаметр D

экв

= 0,0215 м;

8. Коэффициент В

мт

= 10.

Действительная скорость нагреваемой воды определяется по формуле:

см

табл

труб

/923,0

90,97700985,06,3

02,32

6,3















Определим по аналогичной зависимости скорость конденсата в межтрубном

пространстве:

6,3









межтр

мж

(1.18)

где G

– расход конденсата, т/ч;

межтр

- площадь межтрубного пространства, м

;

– плотность конденсата, кг/м

, определяется по формуле:

111

0036,006,03,1000 tt





, (1.19)

где

- средняя температура конденсата,

С;

гг

108

95121











Подставляя значение средней температуры, определим плотность по (1.19):

322

111

/83,9511080036,010806,03,10000036,006,03,1000 мкгtt





Далее определим скорость конденсата:

см

межтр

мж

/033,0

83,95102079,06,3

379,2

6,3















Зная скорость конденсата и коэффициент, учитывающий конструкцию опор в

межтрубном пространстве φ = 0,9 (опоры-полки) определяем коэффициент теплоотдачи от

конденсата к стенке трубок α

грчмкДж

, по формуле: