Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Утилизация вторичных энергоресурсов в системах ТГВ. Расчет рекуперативных теплообменных аппаратов. Учебно-методическое пособие.pdf
Для пароводяного ТА
2
t,
ср н s
tt= ≈
2
11
22
2
1
11 11
()
;
() ()
p
pp
GC t t
Q
G
C tt C tt
′′ ′
⋅⋅−
= =
′ ′′ ′ ′′
⋅− ⋅−
2
22
2
1
()
.
p
x k xk
GC t t
Q
D
hh hh
′′ ′
−
= =
′
−−
1
11
C,
p
wG= ⋅
2
22
C.
p
wG= ⋅
где t
- температура насыщения при заданном давлении пара, ˚С.
н
(2.7)
Определить в справочной литературе [1,7,12] теплофизические
характеристики теплоносителей и свести их в таблицу (приложение А).
Определить из формул (2.1, 2.2) потерю греющего или нагреваемого
теплоносителя:
- для водоводяного ТА
(2.8)
- для пароводяного ТА
Значения i
может быть найдено по is - диаграмме водяного пара или
x
(2.9)
аналогично с использованием заданной ступени сухости пара х и табличных
данных; энтальпия конденсата i
соответствует энтальпии жидкости при iн [11].
к
2.1 Особенности расчета водоводяного ТА
Определить водяные эквиваленты теплоносителей
(2.10)
(2.11)
81
На основании анализа соотношения
1
2
w
w
n
w
=
,
ln( )
бм
cp
б
м
tt
t
t
t
∆ −∆
∆=
∆
∆
1, 7
б
м
t
t
∆
>
∆
0,5 ( ),
ср б м
t tt∆ = ⋅ ∆ +∆
б
м
t
t
∆
∆
2
,
н
в
d
n
d
=
обосновать и принять схему
движения теплоносителей в ТА (прямоток или противоток). В соответствии с
рекомендациями [2,3,4] принять размеры и материалы трубок решетки.
В зависимости от условий эксплуатации и монтажа ТА, качества воды и
других показателей, решить вопросы направления греющего теплоносителя в
трубную решетку или в межтрубное пространство.
Построить схематически для принятия схемы движения теплоносителей
график изменения ее температуры в течении поверхности теплообмена и
рассчитать температурные напоры: больший Δt
при F=0 и меньший при Δt
б
при F=F.
Средний температурный напор рассчитывают по уравнению
(2.12)
если
или из уравнения
(2.13)
м
если
Определить величину соотношения
где d
трубки, м.
В зависимости от значения n
расчета коэффициента теплопередачи:
<1,7.
(2.14)
и dв - внешние и внутренние диаметры принятой для трубной решетки
н
использовать соответствующую формулу для
2
82
- при n2 <1,4 как для плоской стенки
1
;
11
2
н
т нм
K
δ
δ
α λ λα
=
++ +
1
2
11 1 1
ln (ln ln )
( 2) 2 2 2 ( 2)
н в нн
в нт в н в н н н н м
K
d dd
d d d dd
δ
π δ α πλ πλ δ π δ α
=
+
++ + +
− −+
т
α
м
α
δ
δ
λ
н
λ
т
α
м
α
- при n
≥ 1,4 как для цилиндрической стенки
2
(2.15)
В формулах (2.15 и 2.16) приняты следующие обозначения:
- коэффициент теплоотдачи между теплоносителем, который движется по
2
трубной решетке, и стенкой, Вт/(м
∙град);
- коэффициент теплоотдачи между теплоносителем, который движется в
2
межтрубном пространстве, и стенкой, Вт/(м
∙град);
- толщина стенки трубы δ=0,5(dн - dв), м;
(2.16)
=5∙10-4 – толщина слоя накипи, м;
н
и
Вт/(м
- коэффициенты теплопроводности материала трубки и накипи,
2
∙ град).
Примечание. В формулах (2.15, 2.16) и далее величины с индексом “т”
характеризуют теплоносители, которые движутся по трубкам трубной решетки,
а с индексом “м” – по межтрубному пространству.
Для определения K и K
посчитать
и
с учетом габаритных размеров и конструктивных
из формул (2.15 и 2.16) надо предварительно
1
особенностей расчетного ТА.
Определить количество трубок Z и рассчитать скорость движения
теплоносителя w
в трубной решетке.
т
Ориентировочно принять скорость движения соответствующей жидкости
ор
из трубной решетки w
и из уравнения потока
т
83
2
4
.d
ТТ
ор ор
ТТ Т В
wf ZwG Z
ρ
π
ρ
=⋅⋅
′′
⋅ ⋅= ⋅
2
4
,
d
Т
ор
ВТТ
w
G
Z
π
ρ
′
⋅
⋅⋅
=
Z
′
Z
′
2
.
4
.
d
Т
Т
в изм Т
G
w
Z
π ρ
⋅⋅=⋅
(1,3...1,5) ,
в
Sd= ⋅
3
6 10 .
м
Км≥⋅
- определить расчетное количество трубок
где f - площадь поперечного сечения трубки, м
- расчетное количество трубок в трубной решетке.
(2.17)
(2.18)
2
;
Если численное значение
существенно отличается от количества
трубок, рекомендуемых приложением Б, надо принять стандартное количество
трубок Z
(1;7;19…n), изменив их внутренний d
от
и внешний d
в.изм
диаметры,
н.изм
подобрать соответствующие трубы по ГОСТ и рассчитать из уравнения 17
фактическую скорость движения жидкости в трубной решетке
(2.19)
В дальнейшем расчете использовать измененные диаметры трубок трубной
решетки.
При изготовлении трубной решетки используется ромбическое или
концентрическое расположение трубок. Для дальнейших расчетов надо принять
схему расположения трубок (приложение В).
Расстояние S между центрами трубок (шаг) принимается
а расстояние между внешним диаметром крайних трубок и внутренней
стенкой кожуха ТА
(2.20)
(2.21)
84
Наибольшее расстояние между центрами трубок решетки Dʹ зависит от
Re .
Тв
Т
wd
v
⋅
=
0,25
Pr
A Re Pr ( ) .
Pr
ab
ТT
CT
Nu =⋅⋅
.
ТB
Т
T
d
Nu
α
λ
⋅
=
.
TT
Т
B
Nu
d
λ
α
⋅
=
шага S и количества шестиугольников или концентрических кругов, на которых
расположены центры трубок.
Стандартное количество трубок Z и соотношение n
=Dʹ/S для их
3
ромбического или концентрического расположения в трубной решетке
приведено в приложении Б.
Определить коэффициент теплоотдачи в трубной решетке в следующей
последовательности.
Определить режим движения теплоносителя по трубкам по значению
числа Рейнольдса
(2.22)
В зависимости от режима движения теплоносителя (ламинарного,
переходного или турбулентного), используя соответствующее уравнение
(приложение Г).
Рассчитать число Нуссельта.
Из формулы
Рассчитать коэффициент теплоотдачи:
(2.23)
(2.24)
(2.25)
Определить коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве в такой
последовательности.
85
Из формулы (2.20) найти шаг S.
.
з
D Sn
′
= ⋅
2.
в нм
D Dd K
′
=++
δ
22
4
,
м
вк
мВ з
мВ з
F D Zd
d
S D Zd
−⋅
= =
−⋅
22
4
.
()
мм
M
мм В з м
GG
w
F D Zd
ρπ ρ
= =
⋅ −⋅
По принятому числу трубок Z и соотношения n
найти величину
Принять величину К
в соответствии с формулой (2.21).
м
Рассчитать внутренний диаметр кожуха ТА:
Задавая толщину стенки кожуха ТА
полученного значения D
в
используя ГОСТ.
=Dʹ/S (приложение В)
з
(2.26)
(2.27)
≥ (4…6)∙10
к
-3
м, с учетом
подобрать соответствующую стандартную трубку,
Примечание. При невозможности найти необходимую трубку
стандартного размера предусмотреть изготовление кожуха ТА из листового
материала с описью технологии монтажа.
Рассчитать эквивалентный диаметр межтрубного пространства
где F
- площадь свободного поперечного сечения межтрубного пространства,
м
(2.28)
м;
- смоченный периметр, м.
S
м
Рассчитать скорость движения теплоносителя в межтрубном пространстве
Определить режим движения теплоносителя, рассчитавши число
Рейнольдса
(2.29)
86
Re .
мм
м
м
wd
v
⋅
=
.
мм
м
м
Nu
d
λ
α
⋅
=
,
ср
Q
F
Kt
=
⋅∆
ср
t∆
1
.
в
K
K
d
π
=
⋅
н общ
F Z dl
π
= ⋅⋅ ⋅
.
общ
н
F
l
Zd
π
=
⋅⋅
.
общ
l
m
l
=
(2.30)
Подобрать уравнения для числа Нуссельта (Nu
) (приложение Д), найти
м
его и рассчитать коэффициент теплоотдачи
(2.31)
Из формулы (2.15 и 2.16) рассчитать коэффициент теплопередачи.
Рассчитать поверхность теплообмена ТА из формулы (2.3):
подставляя значения Q,
, K, рассчитанные из формул (2.1, 2.12 или
(2.32)
2.13, 2.15) соответственно.
Примечание. При расчете линейного коэффициента теплопередачи из
формулы (2.16) в формулу (2.32) подставляем:
Определить общую длину трубок l
соотношения
Секции водоводяных ТА изготовляются длинной 2; 3 или 4 м. Задаваясь
длиной одной секции l, найти общее число секций
(2.33)
по ходу теплоносителя в ТА из
общ
(2.34)
(2.35)
87
Полученное значение m округлить до целого числа, проанализировавши
4
,
T
Т
T П
G
d
w
πρ
=
4
,
М
М
МП
G
d
w
πρ
=
влияние округления на эффективность теплообмена ТА.
Рассчитать внутренний диаметр патрубков для подвода и отвода жидкости
в трубную решетку d
где w
– допустимая скорость движения жидкости в.
п
и в межтрубное пространство dм
m
(2.36)
(2.37)
Подобрать фланцы для кожуха ТА и патрубков в зависимости от внешнего
диаметра принятых трубок. Габаритные размеры фланцев должны
соответствовать требованиям ГОСТ.
Если принятые внешние диаметры труб для корпуса ТА и патрубков
отличаются от размеров труб для фланцев по ГОСТ, необходимо
запроектировать индивидуальные фланцы, изменив у стандартных диаметров
связанные со внешним диаметром трубы. Привести монтажную схему фланца и
трубы и таблицу их габаритных размеров.
Примечание. Габаритные размеры фланцев для труб, размеры которых не
соответствуют требованиям ГОСТ, можно рассчитать, используя программу
FLANEZ.
2.2 Особенности расчета пароводяного ТА
Конструктивной и эксплуатационной особенностями пароводяного ТА
является то, что греющий теплоноситель - пар всегда подается в межтрубное
пространство, а нагреваемый теплоноситель - вода движется по трубной
решетке.
Определить коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве при
конденсации пара на горизонтальной трубке, используя формулу Нуссельта
88
0,25
0,728 ( ) ,
()
ср
з
KK
М
K з H CТ
g xr
vd t t
ρλ
α
⋅ ⋅⋅⋅
= ⋅
⋅⋅ −
K
ρ
K
λ
K
v
H
t
ср
CТ
t
.
общ
х
l
m
l
=
х
m
(2.38)
где g - ускорение силы тяжести, м/с
2
;
- плотность конденсата, кг/м2;
r -теплота конденсации, Дж/кг;
и
конденсата, Вт/(м∙град) и м
- коэффициенты теплопроводности и кинематической вязкости
2
/с;
- температура насыщения пара, ˚С;
- средняя температура стенки трубки.
Расчеты линейного коэффициент теплопередачи K
теплообмена F, общей длины трубок l
выполняются по формулам (2.33 и
общ
, поверхности
1
2.34).
Трубные решетки пароводяных ТА изготовляются длиной 2; 3 или 4 м.
Приняв соответствующую длину трубной решетки l. рассчитать число ходов
для движения воды в ТА
Полученное значение
округлить до целого числа.
(2.39)
Компоновку ходов сделать в соответствии рекомендованным схемам их
размещения в межтрубном пространстве [2, 3]. Рациональное размещение Z
трубок в каждом ходе достигается при m
По результатам расчета числа секций m и m
– 1; 2; 4; 6; 8; 12.
x
ходов проанализировать
x
влияние изменения значений этих величин в условиях округления на нагрев и
охлаждения теплоносителей.
Внутренний диаметр патрубков для подвода и отвода воды в пароводяном
ТА рассчитать из формулы (2.36), для подвода пара - из соотношения
89
1
4
,
П
ПП
D
d
w
πρ
=
⋅⋅
П
ρ
П
w
1
4
.
К
КК
D
d
w
πρ
=
ст
δ
С,
2
рас в
ст
пр рас
РD
Р
δ
ϕσ
⋅
= +
⋅−
(2.40)
где
- плотность пара, которая направляется из ТА, кг/м2;
- допустимая скорость движения пара, которая находится в пределах
10…30 м/с [2].
Диаметр патрубка для отведения конденсата рассчитать по формуле
(2.41)
Принять схему размещения трубок в трубной решетке (приложение Б).
Начертить в масштабе поперечный разрез пароводяного ТА с учетом числа
ходов m
величины K
и разместить в каждом ходе Z трубок с шагом S между ними. С учетом
x
графически найти внутренний диаметр кожуха ТА Dв.
м
Для расчетных d
, dП, dК и D2 подобрать соответствующие трубы и
Т
фланцы.
2.3 Конструктивно–механический расчет ТА
В механическом расчете аппарата обоснованно выбирают материалы для
изготовления его элементов и проводят все необходимые прочностные расчеты,
подтверждающие возможность его безопасной и длительной эксплуатации при
заданных параметрах работы (температура, давление) и с учетом свойств
теплообменивающихся потоков.
Целью конструктивно – механического расчета ТА является определение
минимально допустимой толщины стенки кожуха ТА и трубок трубной
решетки и сопоставления допустимых величин с принятыми.
Определить допустимую толщину стенки
из уравнения
(2.42)
90