Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Тепломассообменное оборудование предприятий. Лабораторный практикум.pdf
Таблица 3
Исходные данные для расчета
1
2
3
Температура насыщения греющего пара,
Н
t
, оС
TN
Температура воды на входе в подогрева-
'
В
t
TB1
Температура воды на выходе из подогре-
"
В
t
TB2
Удельная стоимость 1 м2 поверхности те-
A
Ц
CA
Стоимость 1 кВт⋅ч электроэнергии для
Е
Ц
CE
Толщина стенки теплообменной трубы,
СТ
δ
DCT
0,001
Расход воды через подогреватель, G,
кг/с
G
Средний коэффициент теплопроводности
В
λ
LB
0,6
Средняя теплоемкость воды в аппарате,
Р
c
СP
4180
Средний коэффициент кинематической
в
ν
NB
0,65*
Длина теплообменных труб, l, м
L
1
в
ρ
кг/м3
ROB
997
Наименование
Обо-
зна-
чение
Зна-
чение
тель,
вателя,
плообмена подогревателя,
, оС
, оС
, р./м2
привода насоса подачи воды в подогреватель,
, р./(кВт⋅ч)
, м
воды в аппарате,
, Вт/(м⋅К)
, Дж/(кг⋅К)
вязкости воды в аппарате,
, м2/с
*10
-6
Средняя плотность воды в аппарате,
31
Наименование
Обо-
чение
Зна-
1
2
3
КПД насосного агрегата для подачи воды
Н
η
ETH
Число часов работы аппарата в год, τ,
ч/год
TAU
Начальное число ходов в аппарате, Z;
Z
4
Коэффициент теплопроводности мате-
СТ
λ
LCT
Коэффициент наличия в греющем паре
i
η
i
1η=
ETI
Начальное значение площади поверхно-
0
F
F
3,97
Окончание табл. 3
зна-
чение
в аппарат,
риала стенки,
неконденсирующихся газов,
того пара
сти теплообмена,
, Вт/(м⋅К);
. Для чис-
, м2
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2
ИЗУЧЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ИССЛЕДОВАНИЕ
РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГОРИЗОНТАЛЬНОГО
ВОДОВОДЯНОГО ПОДОГРЕВАТЕЛЯ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Цель работы состоит в изучении конструкции горизонтального рекуперативного кожухотрубного водо-водяного подогревателя и практическом освоении математических методов анализа и оптимизации теплообменных аппаратов данного типа.
32
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ
Таблица 4
Технические характеристики ТОА ХВ-790
Параметр
Значение
1
2
Производительность, т/ч
5/10
Поверхность нагрева, м
2
1,6
Расчетные параметры:
по греющей воде
избыточное давление, бар
0,2
температура, 0С
На входе
104,2
На выходе
60
по нагреваемой воде
избыточное давление, бар
7
температура, 0С
На входе
40
На выходе
48
Рабочие параметры:
по греющей воде
избыточное давление, бар
7
температура, 0С
На входе
160
по нагреваемой воде
избыточное давление, бар
7
температура, 0С
На входе (не менее)
45
Гидравлическое сопротивление при максимальной производительности, м. вод. ст.
Объектом исследования в лабораторной работе является кожухотрубный горизонтальный водо-водяной теплообменный аппарат типа ХВ-790 (рис. 1). Характеристики аппарата приведены в табл. 4.
33
Окончание табл. 4
Параметр
Значение
1
2
В межтрубном пространстве
0,99
В трубном пространстве
1,06
Число ходов воды в межтрубном и трубном пространствах
4
Площадь поперечного сечения в одном ходе, м2:
Межтрубного пространства
0,003
Трубного пространства
0,0075
Материал трубок
Латунь Л-
68
Число трубок в трубном пучке, шт.
20
Размеры трубок:
Наружный диаметр, мм
16
Толщина стенки, мм
1
Длина, м
1,7
Масса аппарата, кг
134
Расход воды в расчетном режиме, т/ч
греющей
2,5
нагреваемой
10
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ
Во введении к лабораторной работе, конспектах лекций
и в соответствующих главах рекомендуемой литературы ознакомиться с основными конструкциями жидкостно-жидкостных кожухотрубных теплообменных аппаратов, методами
их математического моделирования и оптимизации.
34
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ
Т
К
Н
Е
ГОД Н Т
З Э ЕК= +
1
W
2
W
ГРЕЮЩЕЙ И НАГРЕВАЕМОЙ ВОДЫ В МЕЖТРУБНОМ
И ТРУБНОМ ПРОСТРАНСТВАХ ВОДОВОДЯНОГО
ПОДОГРЕВАТЕЛЯ
На промышленных предприятиях, в промышленных
котельных и на ТЭЦ широко используются горизонтальные
поверхностные кожухотрубные теплообменники, в которых и
греющей и нагреваемой средой является вода. Важнейшими
характеристиками такого аппарата является скорость движения воды как в межтрубном пространстве, так и внутри теплообменных труб. С увеличением скорости повышается эффективность теплоотдачи между поверхностью труб и омывающей их греющей и нагреваемой водой. Однако в этом случае интенсификация теплообмена сопровождается дополнительной затратой энергии на перемещение теплоносителя через трубное и межтрубное пространства аппарата, т.е. в такой
ситуации выбор наивыгоднейшей поверхности теплообмена и
конструкции подогревателя целесообразно осуществлять по
методу технико-экономической оптимизации. Наибольшей
экономической эффективностью будут обладать те конструкции, для которых годовые приведенные затраты минимальны.
Если известны капитальные затраты на аппарат
,
годовые затраты на его эксплуатацию Э и нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений
вые приведенные затраты составят:
ров наиболее целесообразно выбрать скорость движения воды
в межтрубном пространстве
внутри теплообменных труб
, то годо-
.
(2.1)
В данном случае в качестве оптимизируемых парамет-
и скорость движения воды
, м/с, что позволяет согласно
35
(2.1) написать выражение целевой функции
( )
ГОД 1 2
З f W,W=
( )
ГОД Э 1 2 А P
З Ц N N ЦF=τ + +ξ
Э
Ц
0,57ξ=
Н
Е
А
Ц
Р
F
T
K
T РА
K 1,15F Ц=
в виде:
, (2.2)
где τ – число часов работы аппарата в год, ч/год;
– стоимость 1 кВт⋅ч электроэнергии для привода
насосов подачи греющей и нагреваемой воды в аппарат,
р./кВт⋅ч;
– коэффициент, учитывающий амортизацию
теплообменного аппарата, коэффициент экономической эффективности
и стоимость инженерно-строительных работ,
включая монтаж оборудования, р./ (р.⋅год);
– удельная стоимость подогревателя, р./м2;
– расчетная поверхность теплообмена подогревате-
ля, м2.
Формула (2.2) позволяет получить расчетное уравнение
целевой функции, т.е. уравнение связи между годовыми приведенными затратами и скоростью движения воды как в межтрубном, так и в трубном пространствах подогревателя.
Определение единовременных капитальных затрат
Единовременные капитальные затраты, т.е. общая
стоимость (цена) аппарата
где коэффициент 1,15 учитывает запас поверхности теплообмена, позволяющий удлинить производственный цикл
между процессами очистки аппарата.
Расчетная поверхность теплообмена, м2
, определяются по соотношению
, (2.3)
36
P
QQ
FR
kt t
= =
∆∆
( )
'"
1 P1 1 1 п
Q Gc t t= −η
1
G
P1
c
'
1
t
П
η
"
1
t
R
СТ
ЗАГ
1 СТ 2
11
RR
δ
=+ ++
αλ α
1
α
Э
dd=
0,25
0,18
0.8 02
2
0,43
1 Э
В1
1 В1 В1
0,8 2
В1 СТ Н
Wd
Pr
S
0,021 Pr
Pr d
−
α= λ
ν
.
(2.4)
Здесь Q – тепловая производительность аппарата,
,Вт.
– расход греющей воды через подогреватель, кг/с;
– средняя изобарная теплоемкость греющей воды,
Дж/(кг⋅К);
– начальная температура греющей воды, 0С; t∆–
средняя логарифмическая разность температур между теплоносителями, оС,
– коэффициент, учитывающий потери теплоты ап-
паратом в окружающую среду;
– конечная температура греющей воды, оС;
– термическое сопротивление теплопередаче,
(К⋅м2)/ Вт:
где
– коэффициент теплоотдачи от греющей воды к
наружной стенке теплообменной трубы, Вт/ (м2⋅К), который
определяется по формуле М.А. Михеева при условии, что
:
37
,
(2.5)
(2.6)
.
За определяющую температуру для выбора теплофизиче-
( )
'"
1 В1 В1
t 0,5 t t= +
S
СТ
δ
СТ
λ
2
α
0,25
0.8 02
0.43
2 ВН В2
2 В2 В2
0,8
В2 СТ
W d Pr
0,021 Pr
Pr
−
α= λ
ν
( )
'"
2 В2 В2
t 0, 5 t t= +
0,8
ЗАГ i
R 0,000072 / W=
R
ских свойств греющей воды принимается
0С;
– шаг расположения теплообменных труб на трубной
решетке, м;
– толщина стенки теплообменной трубы, м;
– коэффициент теплопроводности материала теп-
лообменной трубы, Вт/(м⋅К);
– коэффициент теплоотдачи от стенки теплообмен-
ной трубы к нагреваемой воде. Для турбулентного режима по
формуле М.А.Михеева имеем
.
(2.7)
За определяющую температуру для выбора теплофизических свойств нагреваемой воды принимается
, оС.
Для кальциевых накипей в случае охлаждения и нагрева воды можно термическое сопротивление двухсторонних
отложений на поверхности теплообменной трубы, (К⋅м2)/ Вт,
вычислить по формуле
.
(2.8)
На основании (2.5), (2.6), (2.7) и (2.8) получаем уравнение для вычисления сопротивления теплопередаче
(К⋅м2/Вт), в функции от скорости движения греющей и нагреваемой воды:
,
38
0,8 0,8
СТ
12
1 СТ 2
0,8 0,8
12
11
RW W
АА
0,000072(W W )
−−
−−
δ
= ++ +
λ
++
или
0,8 0 ,8
11 2 2 3
RAWAWA
−−
=++
0,36 0,8 0,25
Н В1 СТ
1
0,2 0,36 0,68
В1 Э В1
d Pr
А 0,000072
0,021 d S P
r
−
ν
= +
λ
0,8 0,25
В2 СТ
2
0,2 0,68
В2 ВН В2
Pr
А 0,000072
0,021 d Pr
−
ν
= +
λ
3 СТ СТ
А =δλ
4
Q/ t A∆=
0,8 0 ,8
P 4 11 2 2 3
FA(AWAWA)
−−
= ++
,
(2.9)
где
,
,
.
Если обозначить отношение
, то в итоге
можно записать выражение для расчетной поверхности теплообмена, м2
.
(2.10)
Определение затрат на транспорт теплоносителей
через подогреватель
Транспорт греющей воды через подогреватель
В составе эксплуатационных затрат основную долю составляют затраты на перемещение теплоносителей. Из (2.2)
следует, что
39
ТВ1 Э 1
Э ЦN= τ
, р./год,
ZM МТ
1
Н
VP
N∆=
η
Н
η
( )
22
ZM 1 Z H
V 0,785W 0,25D n d= −
D
Z
n
МТ
Z 4 const= =
МТ
P∆
2
MT ПР ,М 1 B1
P 0,5 W∆=ξ ρ
В1
ρ
ПР,М
ξ
ПР,М М М,М
Э
l
d
ξ =ξ +ξ
∑
0,25
ПР,М 1 1
С W 2,253
−
ξ= +
где
, Вт,
– КПД насосной установки, подающей воду в ап-
парат;
, м3/с – объемный рас-
ход греющей воды, проходящей через один ход межтрубного
пространства подогревателя;
– внутренний диаметр корпуса аппарата, м;
– число труб в одном ходе межтрубного простран-
ства при условии
– потеря давления, Па, при движении греющей
воды в межтрубном пространстве,
где
– средняя плотность воды в межтрубном про-
странстве, кг/м3;
– приведенное гидравлическое сопротивление
межтрубного пространства,
На основании (2.11) и (2.12) в итоге получим
40
;
,
.
(2.11)
(2.12)
,