теор / Теплообменное оборудование предприятий

Рис. 2.11. Одноярусная спираль:

1 – напорный коллектор; 2 – змеевик; 3 – сливной коллектор

2.3. Тепловой расчёт

При выполнении прямого теплового расчёта известны следующие величины: расход нагреваемой жидкости G2 , начальная и ко-

нечная температуры жидкости t'2 и t"2 , параметры греющего пара.

Целью расчёта является определение требуемой величины поверхности теплообмена для обеспечения заданной тепловой нагрузки.

Из уравнения теплового баланса (формула 1.6) определяется расход греющего пара:

Коэффициент использования принимается равным 0,97–0,98. Те-

пловая нагрузка аппарата Q представляет собой правую часть уравнения теплового баланса, т.е. числитель выражения (2.1). Давление греющего пара принимается с таким расчётом, чтобы температура его

41

насыщения была на 5–10 °С выше температуры жидкости на выходе,

для ПВД величина недогрева предусматривается до 15–25 °С . Теплоту перегрева пара и переохлаждение конденсата обычно в предварительных расчётах не учитывают.

Температурный напор рассчитывается как среднелогарифмический по формуле (1.9). Характер изменения температур теплоносителей соответствует схеме "в" на рис. 1.5.

Коэффициент теплопередачи k определяется с учётом всех термических сопротивлений в соответствии с выражением (1.7).

С достаточной для технических расчётов точностью коэффициент теплоотдачи при плёночной конденсации пара на поверхности труб можно рассчитать по формуле Нуссельта [5]:

где С – коэффициент, учитывающий влияние расположения труб: для вертикальных – 0,943, для горизонтальных – 0,728; ρ , кг/мг3, λ , Вт/(м °С), μ , Па с – плотность, коэффициент теплопроводности

и динамическая вязкость плёнки конденсата, определяемые по tпл ; g – ускорение свободного падения, м/с2; r – теплота парообразования, определяемая по tн , кДж/кг; L – определяющий линейный размер, м: для вертикальных труб – их высота H , для горизонтальных – наружный диаметр dн ; tн и tc – температуры насыщения пара и

стенки трубки, °С.

С учётом различных факторов, снижающих теплообмен, расчётное значение коэффициента теплоотдачи от пара к стенкам трубок определяется как

где 1 –коэффициент, учитывающий влияние состояния поверхно-

сти труб и чистоты пара: для относительно чистого пара (из отборов турбин, РОУ) 0,8–0,85, для вторичного пара (после выпарных установок различных растворов) – 0,6; 2 – коэффициент, учитывающий

влияние наличия в паре неконденсирующихся газов (воздуха) и неравномерность омывания потоком пара трубного пучка, принимается равным 0,6 – 0,85.

42

средняя температура воды.

Плёнка конденсата является основным термическим сопротивлением теплопереходу от пара к стенке трубок, но формула Нуссельта не учитывает переменности физических параметров стекающей плёнки конденсата и характер её движения вдоль стенки. Учитывать влияние этих факторов, особенно для вертикальных труб большой высоты (H > 4м), позволяет методика Лабунцова [5].

Для вертикальных труб коэффициент теплоотдачи при конденсации водяного пара определяется из выражения:

сата: при Z < 2300 – ламинарный режим; при Z > 2300 – смешанный режим (ламинарный и турбулентный). При ламинарном режиме тече-

– комплекс физических параметров плёнки конденсата, определяемых по температуре насыщения пара tн (табл. 2.1).

В выражениях (2.4) и (2.7) t tн tс – температурный напор,

°С; H – высота трубы, м. В выражении (2.4)

43

– комплекс физических параметров плёнки конденсата, определяемых по температуре насыщения пара tн (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Вспомогательные комплексы А и В

где R – радиус трубы, м.

Расчётное значение коэффициента теплоотдачи определяется также с учётом поправочных коэффициентов в соответствии с выражением (2.3).

Коэффициент теплоотдачи 2 рассчитывается по формулам

конвективного теплообмена. Как правило, нагреваемой жидкостью является вода, движущаяся со скоростью 1,5–2,5 м/с. При этих условиях режим течения турбулентный и расчёт производится по формуле Михеева [5]

водности, кинематическая вязкость и коэффициент температуропроводности воды при средней ее температуре tсвр; W – скорость потока, м/с; dв – внутренний диаметр труб, м.

В подогревателях со спиральными трубками в формулу (2.11) в качестве сомножителя вводится поправочный коэффициент на центробежный эффект в изогнутых трубах

44

где R –радиус змеевика; dв – внутренний диаметр трубки.

При нагревании жидкости на внутренней поверхности труб образуется слой накипи, влияние которого учитывается коэффициентом

3 0,75 0,85.

Расчётный коэффициент теплоотдачи от стенок трубок к жидко-

жидкости G2 и её проходное сечение, начальная температура жидкости t'2 , параметры греющего пара. Искомыми величинами являю-

где W2 G2 Cp2 – водяной эквивалент.

Конечная температура жидкости определяется из уравнения

Тепловая нагрузка аппарата может быть определена из уравнения (2.15), в которое входит температурный напор tср. Для паро-

жидкостных аппаратов температурный напор определяется как среднелогарифмический в соответствии с выражением

45

Подставив выражение (2.17) в уравнение (2.15), получим

Рассмотрев систему уравнений (2.14) и (2.18), можно приравнять их правые части:

откуда значение температуры жидкости на выходе из теплообменного аппарата выражается как

46

ределяется по уравнению (2.14) или (2.15).

2.4. Конструктивный расчёт

Для аппаратов с прямыми и U-образными трубками количество трубок при одноходовом исполнении аппарата определяется из урав-

При разбивке труб по вершинам равностороннего треугольника (схема на рис. 2.12) общая площадь трубной доски составит

m t2 sin 60o

F . (2.27)

Трубная доска имеет форму круга, площадь которого составляет

Из совместного решения системы уравнений (2.27) и (2.28) определяется диаметр трубной доски

Подставляя в выражение (2.29) численные значения sin 60o и , получим окончательную расчётную формулу для определения диаметра трубной доски:

Рис. 2.12. К определению площади трубной доски

2–х ходов – 0,8; для 4–х ходов – 0,7; для 6–ти ходов – 0,6. Высота труб в аппарате находится из выражения

Если расхождение H с ранее принятой при выполнении теплового расчёта составляет более 30 %, то расчёт следует повторить и найти новую величину F и H . Соотношение высоты трубной части аппарата и его диаметра рекомендуется обеспечивать HDтр 2 4 .

Диаметры патрубков для прохода рабочих сред рассчитываются из уравнения расхода

Скорости движения воды и пара в трубопроводах принимаются в соответствии с табл. 1.3. Скорость конденсата в отводящих патрубках принимается 0,5–1,0 м/с. По найденной величине d по сортаменту подбираются стандартные трубы.

Конструктивный расчёт аппаратов со спиральными трубками производится с учётом особенностей в схеме организации движения потоков рабочих сред и принятой компоновки. В настоящем учебном пособии рас-

48

сматриваются основы расчёта подогревателя высокого давления с двухъярусными спиральными трубками четырехколонного типа с верхним подводом и отводом воды, конструкция которого приведена на рис. 2.8.

Число параллельно включённых спиралей в одном ходе определяется из уравнения (2.25) в расчёте на один питающий коллектор (половинный расход воды):

Общее количество спиралей, включённых в оба коллектора

где Z = 3 – число ходов по воде; n 2 – количество питающих коллекторов. Величина m принимается кратной четырём.

В рассматриваемой конструкции подогревателя высокого давления в качестве поверхности нагрева применяются двухъярусные спирали, приведенные на рис, 2.9. Длина одной спирали определяется из величины поверхности нагрева

Число витков в спирали определяется из её длины, которая выражается следующим образом:

что соответствует виду полного квадратного уравнения

49

Применительно к уравнению (2.37) число витков будет соответствовать положительному значению корня этого уравнения:

Из конструктивных соображений n принимается кратным 0,5 с округлением в большую сторону. Принятое значение n подставляется в выражение (2.36) для определения истинной длины спирали. Средний диаметр последнего витка спирали находится из выражения

Диаметр центрального коллектора dцк рассчитывается по

формуле (2.32) с выбором стандартного трубопровода. Внутренний диаметр корпуса аппарата определяется из выражения

По высоте трубной части число спиралей составит К m4. При шаге между спиралями 75 мм высота трубной части аппарата составит H' 0,075 К . Общая высота аппарата принимается

H 1,65 H' .

50