2 Тепловой конструктивный расчёт секционного водо-водяного подогревателя

Расчёт секционного водо-водяного подогревателя заключается в определении общей площади поверхности теплообменника и необходимого количества секций. Греющим и нагревающим теплоносителями является вода. Причём. Нагреваемая вода течёт в межтрубном пространстве, а греющий теплоноситель движется по трубам нагревателя.

Таблица 3 – Исходные данные

Производительность:	Q= 5,0 106 Вт [2, c 16]
Температура нагревателя воды при входе в подогреватель:	t’2=57°C[2, c. 16]
Температура нагревателя воды при выходе в подогреватель:	t2’ ‘=91°C[2, c. 16]
Температура греющей воды при входе в подогреватель:	t1’ =125°C
Температура греющей воды при выходе из подогревателя:	t1’ ‘ = 71°C
Диаметры поверхности нагрева:	dв/dн=14/16 мм. [2, c. 4]
Скорость движения воды в трубках:	ω = 1,2 м/с [2, c. 16]
Коэффициент теплопередачи:	p = 0,7 [2, c. 8]

Расчёт: Средняя температура воды:

t2= =

По величине t₂ из справочной таблицы [2, c 20] находим плотность воды и теплоёмкость при помощи интерполяции:

Плотность воды при температуре t₂ = 74 °C:

Удельная теплоёмкость воды при температуре t₂ = 74 °C:

ai= =

bi=y_i-1-a_i*x_i-1=4,187-0,0008*70=4,131

у=0,0008*74+4,131=4,190 Дж/(кг*С)

ai= =

bi=y_i-1-a_i*x_i-1=977,7-0,59*70=1019

у=-0,59*74+1019=975,34 Дж/(кг*С)

Расход сетевой воды массовый G и объёмный V, определяется по

формулам:

Расход воды массовый G и объёмный V, определяется по формулам:

G= (27)

Где величина C_p – это теплоёмкость воды, которая равняется 4190 Дж/кг

V= =0,0359 м³/с (28)

Средняя температура воды:

t1=

По величине t₂ из справочной таблицы [2, c 20] находим плотность воды и теплоёмкость при помощи интерполяции:

Удельная теплоёмкость воды при температуре t₁ = 98 °C,

ai= =

bi=y_i-1-a_i*x_i-1=4,208-0,0012*90=4,1

у=0,0012*97,5+4,1=4,217 Дж/(кг*С)

С_р= 4,217 Дж/(кг°С)

Плотность воды при температуре t₂ = 98 °C:

ai= =

bi=y_i-1-a_i*x_i-1=965,3-0,7*90=1028,2

у=-0,7*97,5+1028,2=959,95 (кг/м3)

ρ=959,95 (кг/м3)

G_m= =21,96 кг/с

V_m=

Площадь проходного сечения трубок:

f_m= м² (29)

По площади по каталогу выбирается секционный водоводяной

подогреватель, его технические характеристики представлены в таблице 4 :

таблица 4-Технические характеристики ПВВ13- 325-2000

Внутренний диаметр корпуса Двн, мм	Количес тво трубок n	Площадь проходного сечения трубок	Площадь проходного сечения межтрубного пространства, м2
350	151	0.02325	0,0445

Уточняем скорость движения воды в трубках и межтрубном пространстве:

ω_m= м/c

ωмm= м/с

Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства

dω= м (30)

где P- периметр межтрубного пространства:

где Д_вн- внутренний диаметр корпуса теплообменника; Д_вн= 350 мм.

Средняя температура воды в трубках и в межтрубном пространстве:

t1=

t2=

По температуре t₁ - 98 °С выбирается температурный множитель, A_5т=3260

ai= =

bi=y_i-1-a_i*x_i-1=3100-20*90=1300

у=20*98+1300=3260

а по температуре t₂ - 74 ºС температурный множитель А_5мт=2880

ai= =

bi=y_i-1-a_i*x_i-1=2800-20*70=1400

у=20*74+1400=2880 Дж/(кг*С)

Далее определяется режим течения воды в трубках и межтрубном

пространстве. Режим течения является турбулентным при значениях критерия Re>10⁴ >10⁴;

Rem= =

При t=74 ºC= 347 К

При t=98 ºC= 371К

Reмm= =

ai= =

bi=y_i-1-a_i*x_i-1=0,326+0,003*363=1,415

у=-0,003*370,5+1,415=0,304

ai= =

bi=y_i-1-a_i*x_i-1=0,415+0,005*3463=2,13

у=-0,005*347+2,13=0,395

где v_т - кинематическая вязкость воды м/с, при t_т =9 8°С и t_мт = 74°С. П7 [1,

с 20 ]

Т.к. режим течения воды в трубках турбулентный, то коэффициент теплоотдачи, при движении воды в трубках и межтрубном пространстве определяется по формуле:

ат=Аsт*

а_MT=A_5MT* =

Коэффициент теплоотдачи, определяется как для плоской стенки

К= = 2875,8 Вт/м2*К

Средний температурный напор и расчётная поверхность нагрева подогревателя определяются по следующим формулам:

Δt= °C

Δtmax=t1`-t2``=125-91=34°C

Δtmin=t1``-t2`=71-57= 14 °C

Поверхность нагрева составит

F=

Для дальнейших расчётов требуется рассчитать количество секций z и уточненную поверхность нагрева ^F = ^Fz зная площадь поверхности нагрева одной секции F' =10м² и длину трубок l_т = 2000мм выбранного подогревателя,

получим

Число секций : N=

Если величина N полученная по данной формуле имеет дробную часть, составляющую более 0,2, число секций следует округлять в большую сторону.

F=F`*z=10*8=80м²

Условие F=77,13 <80 м² выполняется

Длина хода воды в трубках и межтрубном пространстве определяются по следующим формулам:

Lт=lm*z=2*8=16м

Lмm=(lm-0,5)*z=(2-0.5)*8=12м

Гидравлические потери в подогревателе

ΔР=( =(

где Х_Т -коэффициент гидравлического трения, который определяется по таблице приложения П4 по уточнённому критерию Рейнольдса[1,c 17];

Для одной секции:

ξ_т - потери от местных сопротивлений, поворот на 180° при переходе через колено из одной секции в другую , (z-1) число колен:

ξ_Т = 2-(Z-1) = 2*(8-1) = 14

Суммарные потери:

Σξсум=13,5-Z = 13,5*8 = 108

Re=56157 λ_Т =0,0199

X -для новых трубок принимается равным 1.

Гидравлические потери в подогревателе в межтрубном пространства:

ΔР=( =(

λ_мТ =0,0203

Re= 51711

где Σξm_Т - потери местных сопротивлений; Σξмт=13,5*8 = 108

Диаметры патрубков d_п и колен d_к , соединяющих секции подогревателя, определяется по формуле:

dк=1,13* 1,13* =0,172м

dn=1,13* 1,13* м

3.ТЕПЛОВОЙ КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЁТ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПАРОВОДЯНОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ

Таблица 5– Исходные данные:

Число ходов	z=4;
Производительность	Q=8*106 Вт;
Давление	P=0,35МПа = 3,5 бар;
Энтальпия	h= 2732 кДж/кг, [2, c. 22];
Температура средняя воды	t=145 ºC;
Температура насыщенного пара [2, c. 20]	tн = 138,88 ºC [2, c. 22]
Энтальпия конденсата на выходе из теплообменника	hH = 584,5 кДж/кг
Температура нагреваемой воды при входе в подогреватель	t2 = 63°C;
Температура нагреваемой воды при выходе из подогревателя	t' '2 =113°C;
Диаметры поверхности нагрева	dв/dн=14/16 мм.;
Высота трубок в одном ходе	H=4 мм ;
Толщина накипи	SH = 0,0002 м;
Коэффициент теплопроводности накипи	AH = 2 Вт/М К

Расход пара и объёмный расход воды определяются по формулам:

D= (31)

V= (32)

Средняя логарифмическая разность температур теплоносителей в подогревателе:

Δt_ср= °C (33)

Δt_max=t1`-t2``=138,88-63=75,88°C

Δt_min=t1``-t2`=145-113= 32 °C

Далее применяется методика упрощенного графоаналитического метода

расчёта удельного теплового потока. Для этого предварительно для

различных участков процесса теплопередачи находится теплозависимость

между удельным тепловым напряжением и перепадом температур на данном

участке:

1)Рассмотрим процесс теплоотдачи от пара стенке. Коэффициент теплоотдачи пара, определяется по формуле Нуссельта:

an=1.334*

где В=5700+56*tн-0,009*

Откуда Δt=0.5*Δtср=0,5*50,82=25,41 °С

Обозначим a_п=a ₁. Имеем теплозависимость вида q₁=a₁- At1. Задаваясь

рядом значений At от 0 до 40 , вычисляем соответствующие им величины q₁. Строим зависимость At1 = f(q₁):

q₁ =5631,2*10 = 56312q

q₁=5631,2*20 = 112624q

q₁=5631.2*5 = 28156q

q₁=5631.2*15 = 84468q

2) Рассмотрим процесс теплопроводности через стенку.

Теплозависимость имеет следующий вид:

где λ_ст= 105 Вт/(м К) δ_ст = 0,001м

Т.е. зависимость между q₂ и At₂ изображается прямой линией. Задаваясь рядом значений Δt₂ от 0 до 40 , вычисляем соответствующие им величины

в) Рассмотрим процесс теплопроводности через слой накипи. Теплозависимость имеет следующий вид:

Т.е. зависимость между q ₃и Δt₃ также изображается прямой линией. Задаваясь рядом значений Δt₃ от 0 до 40, вычисляем соответствующие им величины q₃.

3) Теплоотдача от стенки воде.

Скорость воды в пароводяных подогревателях, обычно составляет 1-3 м/с,

движение воды турбулётное, поэтому задавшись предварительно скоростью

воды ω_т воспользуемся упрощённой формулой:

где A₅ - температурный режим берётся из таблицы П3 приложения по средней температуре воды А₅= 3600

ai= =

bi=y_i-1-a_i*x_i-1=3600-18*130=1260

у=18*138+1260=3744

Имеем теплозависимость вида q₄ = a₄ * Δt₄.

q₄= 8792,5*5= 43962,5

q₄ = 8792,5*10=87925

q₄ = 8792,5*15= 131887,5

q₄ = 8792,5*20= 175850

q₄ = 8792,5*25= 219812,5

q₄ = 8792,5*30= 263775

q₄ = 8792,5*35= 307737,5

q₄ = 8792,5*40= 351700

Задаваясь рядом значений от 0 до 40 Δt₄, вычисляем соответствующие им величины q₄. Осуществляем построение зависимости Δt₄=f(q₄).

Складывая ординаты четырёх зависимостей, строим теплозависимость TAt =Tf(q), которая представлена на рисунке 1. Приложения А. Из точки на

оси ординат, соответствующей Δt_ср =50,82°С, проводим прямую, параллельную

оси абсцисс, до пересечения её с суммарной зависимостью. Из точки пересечения опускаем перпендикуляр на ось абсцисс и находим удельное значение теплового потока q = 12.8^*10⁴Вт/м²-К.

Коэффициент теплопередачи составит:

К=

Площадь поверхности нагрева теплообменника

F=

По расчётной площади нагрева F и диаметру трубок по каталогу выбирается вертикальный пароводяной подогреватель, его технические характеристики:

Таблица6-Технические характеристики ПСВ-125-7-15

Площадь	Количество	Высота	Максимальное рабочее
поверхности	трубок n	трубок в	давление в трубной
нагрева F, м2		одном ходе H,мм	системе/корпусе, МПа
125	320	4,55	1,47/0,69

Далее уточняем скорость течения воды си, в трубках выбранного подогревателя:

ω=

Уточняем коэффициент теплоотдачи при движении воды в трубках

а4=ав=А5*

Уточняем коэффициент теплоотдачи пара:

an=1.334*

где H=4,55 м взят из таблицы характеристик теплообменника

∆t это величина отрезка а-е, которая равняется 20 ºС Уточняем коэффициент теплопередачи:

К= = 1635,7 Вт/м2*К

Уточняем необходимую площадь поверхности нагрева:

F=

Т.к. F= 96,27 < 125 м², то пароводяной подогреватель ПСВ-125-7-15

выбран верно.